Μυκητιακοί Υπολογιστές: Πώς τα Μανιτάρια Τροφοδοτούν τις Νευρομορφικές Συσκευές

Ένας Νέος Τύπος Βιολογικού Υπολογιστή

Computing was initially developed with analog technology, which differs from digital technology in that it uses more complex (and messy) signals instead of clearly distinct 1 & 0.

Πηγή: Unison Audio

Γενικά, ένα ψηφιακό σήμα είναι πιο εύκολο στην ανάλυση, την αντιγραφή και τη μετάδοση. Ωστόσο, ένα αναλογικό σήμα είναι καλύτερο στην αντιμετώπιση της πολυπλοκότητας μιας πραγματικής κατάστασης, με όλες τις αποχρώσεις της.

Γι’ αυτό οι επιστήμονες έχουν επιστρέψει στις αναλογικές μορφές υπολογισμού για νέες εξελίξεις στην τεχνητή νοημοσύνη, την ανίχνευση και άλλες εφαρμογές. Αυτό περιλαμβάνει πολλά διαφορετικά σχέδια των λεγόμενων νευρομορφικών τσιπ, που μιμούνται τον τρόπο με τον οποίο ο εγκέφαλος επεξεργάζεται τα δεδομένα.

Μια νέα εξέλιξη προς τη χρήση της ικανότητας του εγκεφάλου για υπολογισμούς είναι η εμφάνιση πραγματικών βιολογικών υπολογιστών, που χρησιμοποιούν οργανικά ιστούς για την εκτέλεση εργασιών που συνήθως ανατίθενται σε πυριτίου χιπ. Ένα παράδειγμα είναι τα οργανοειδή, ιστούς που καλλιεργούνται στο εργαστήριο από ανθρώπινα νευρώνες, ικανούς να εκτελούν υπολογιστικές εργασίες. Σε συνδυασμό με νέες τεχνικές 3D εκτύπωσης λειτουργικών εγκεφαλικών ιστών, αυτό θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο σε έναν εντελώς νέο, παράξενο τύπο υπολογιστικών δυνατοτήτων.

Ένας άλλος τύπος ηλεκτρονικού στοιχείου που αξιοποιεί βιολογικά συστατικά θα πρέπει να προστεθεί στη λίστα, με επιστήμονες του Πανεπιστημίου του Οχάιο να έχουν δημιουργήσει νευρομορφικούς οργανικούς μεμριστόρ, έναν τύπο επεξεργαστή δεδομένων που μπορεί να θυμάται προηγούμενες ηλεκτρικές καταστάσεις. Η διαφορά είναι ότι το δημιούργησαν όχι από νευρώνες, αλλά από μανιτάρια.

Δημοσίευσαν την ανακάλυψή τους στην επιστημονική ανασκόπηση PLOS One, με τίτλο «Sustainable memristors from shiitake mycelium for high-frequency bioelectronics».

Γιατί να χρησιμοποιήσουμε νευρομορφική υπολογιστική;

Άνοδος των NPU

Neural Processing Units (NPUs), also called neuromorphic chips, are a type of AI hardware that present a few advantages compared to more traditional chips like CPUs and GPUs:

• Πιο ευέλικτο σχεδιασμό, επιτρέποντας στην αρχιτεκτονική του τσιπ να προσαρμόζεται στα δεδομένα εκπαίδευσης.
• Πολλά χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας, μερικές φορές μόλις 1/100 του αντίστοιχου GPU.
• Λιγότερη παραγωγή θερμότητας βοηθά στην αντιμετώπιση του αυξανόμενου προβλήματος ψύξης που πλήττει τα προηγμένα κέντρα δεδομένων AI.

(Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για το εξειδικευμένο υλικό AI, συμπεριλαμβανομένων των NPU, στην αφιερωμένη μας αναφορά.)

«Η δυνατότητα ανάπτυξης μικροτσιπ που μιμούνται την πραγματική νευρωνική δραστηριότητα σημαίνει ότι δεν χρειάζεται πολύ ενέργεια για αναμονή ή όταν η μηχανή δεν χρησιμοποιείται.

Αυτό μπορεί να αποτελέσει ένα τεράστιο υπολογιστικό και οικονομικό πλεονέκτημα.»

John LaRocco – ερευνητής ψυχιατρικής στο College of Medicine του Ohio State.

Πολλές μέθοδοι εξετάζονται αυτή τη στιγμή για τη δημιουργία νευρομορφικών τσιπ:

• Εκμετάλλευση της αρχικής φεροηλεκτρικότητας, ενός ακόμη ανεπαρκώς κατανοητού φαινομένου.
• Ενεργό υπόστρωμα που χρησιμοποιεί βανάδιο ή τιτάνιο.
• Χρήση μεμριστόρ, ενός νέου τύπου ηλεκτρονικού στοιχείου, που μπορεί να εκτελεί εργασίες AI με 1/800 της κανονικής κατανάλωσης ενέργειας.

Πώς οι Μεμριστόρ Μιμούνται τις Συνάψεις

Οι μεμριστόρ είναι ηλεκτρονικά στοιχεία που μιμούνται τις συνάψεις που συνδέουν νευρώνες by remembering which electric state they were toggled to after their power is turned off.

Αυτό μπορεί να μειώσει σημαντικά την ενέργεια και το χρόνο που χάνεται από τη μεταφορά δεδομένων μεταξύ επεξεργαστών και μνήμης.

«Ένα από τα κύρια πλεονεκτήματα των μεμριστόρ είναι η ικανότητά τους για αποδοτική και αυτοπροσαρμοστική μάθηση εντός του συστήματος, η οποία είναι κρίσιμη για εφαρμογές στη ρομποτική και στα αυτόνομα οχήματα.

Επιπλέον, η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας των μεμριστόρ είναι ιδιαίτερα ωφέλιμη στη ρομποτική και στα αυτόνομα οχήματα, όπου η ενεργειακή αποδοτικότητα είναι υψίστης σημασίας. Τα υβριδικά αναλογικά‑ψηφιακά συστήματα μεμριστόρ μπορούν να ελαχιστοποιήσουν τη χρήση ενέργειας κατά την επεξεργασία χωρίς να θυσιάζουν την ανταπόκριση.»

Το πρόβλημα μέχρι στιγμής είναι ότι η δημιουργία ηλεκτρονικών μεμριστόρ βασίζεται σε αναδυόμενες τεχνολογίες με χαμηλές αποδόσεις παραγωγής και ασταθή ηλεκτρονική απόδοση, λόγω του πόσο πρόσφατη είναι αυτή η τεχνολογία.

Η χρήση πραγματικών νευρώνων, όπως στα οργανοειδή, είναι επίσης μια επιλογή, αλλά οι νευρώνες είναι πολύ δύσκολοι για επεξεργασία, καθώς είναι σχετικά ευαίσθητοι και δύσκολο να καλλιεργηθούν.

Ωστόσο, οι νευρώνες δεν είναι οι μόνες βιολογικές ιστούς που μπορούν να επεξεργαστούν και να ανταποκριθούν σε ηλεκτρικά σήματα.

Μία πιθανή εναλλακτική είναι το μυκήλιο, ο ιστός που αποτελεί τα συνηθισμένα μανιτάρια, ένας τύπος οργανισμού γνωστός για την αξιοσημείωτη ανθεκτικότητά του. Μπορεί να καλλιεργηθεί με πιο απλούς βιοαντιδραστήρες και θρεπτικές καλλιέργειες σε σύγκριση με εκείνες που απαιτούνται για τους συμβατικούς νευρώνες και τα νευρικά οργανοειδή.

Κατασκευή Μανιταριών Υπολογιστών?

Τα μυκητιακά υλικά εμφανίζουν αγώγιμες διαδρομές που μπορούν να σχηματιστούν δυναμικά υπό την επίδραση ηλεκτρικών ερεθισμάτων, παρόμοια με τα αγώγιμα νήματα που σχηματίζονται σε συμβατικούς μεμριστόρ.

«Αυτή η προσαρμοστικότητα μπορεί να οδηγήσει σε βελτιωμένη απόδοση σε νευρομορφικές εφαρμογές μέσω της διευκόλυνσης μεταβλητών καταστάσεων αντίστασης που μιμούνται τις συνάψεις πιο στενά από τα παραδοσιακά υλικά μεμριστόρ.»

Τα οργανικά υλικά έχουν επίσης το πλεονέκτημα ότι λειτουργούν αποτελεσματικά σε χαμηλότερα voltages, διατηρώντας ταυτόχρονα τα σταθερά χαρακτηριστικά εναλλαγής που είναι σημαντικά για τους μεμριστόρ, ακόμη και χαμηλότερα από αυτά των ηλεκτρονικών μεμριστόρ, που είναι ήδη πολύ λιγότερο ενεργοβόρα από τα παραδοσιακά υπολογιστικά στοιχεία.

Αυτό θα μπορούσε να είναι σημαντικό για συσκευές ενεργειακά αποδοτικές για φορητά ηλεκτρονικά και εφαρμογές Internet of Things που ενδέχεται να βασίζονται σε πολύ χαμηλή παροχή ενέργειας.

Σύρετε για κύλιση →

Γιατί τα Βρώσιμα Μανιτάρια Λειτουργούν για Υπολογισμούς

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν κοινά μανιτάρια κουμπιού, καθώς και βρώσιμα και φαρμακευτικά μανιτάρια Shiitake για τα πειράματά τους, και τα δύο είδη των οποίων η καλλιέργεια είναι καλά κατανοητή και φθηνή.

Τα μανιτάρια Shiitake έχουν δείξει προηγουμένως ότι διαθέτουν πορώδη δομή άνθρακα όταν ενεργοποιούνται. Αυτή η πορώδης δομή μπορεί να ενισχύσει την ηλεκτροχημική απόδοση των συσκευών, καθιστώντας τα κατάλληλους υποψηφίους για χρήση σε συστήματα αποθήκευσης ενέργειας, συμπεριλαμβανομένων των υπερπυκνωτών και, ενδεχομένως, των μεμριστόρ.

Επίσης είναι πολύ ανθεκτικά στην ακτινοβολία, κάτι που θα μπορούσε να βοηθήσει σε εφαρμογές όπως η αεροδιαστημική, όπου τα ηλεκτρονικά τσιπ μπορούν να υποστούν ζημιά από ιοντίζουσα ακτινοβολία όπως η UV και οι ηλιακοί άνεμοι.

Η Ηλεκτρική Απόκριση των Μυκήτων

Οι επιστήμονες συνδέσαν τη δοκιμαστική μανιταρική μάζα μετά την αφυδάτωσή της.

Πηγή: PLOS One

Στη συνέχεια δοκιμάστηκαν σε ένα εύρος τάσεων, κυματομορφών και συχνοτήτων για τις πιθανές δυνατότητες μεμριστόρ.

Το ανταποκρινόμενο αναλογικό σήμα εμφάνιζε ισχυρά χαρακτηριστικά μεμριστόρ, μιμούμενο σε αναλογικό επίπεδο το ψηφιακό σήμα.

Πηγή: PLOS One

Συνολικά, η παρατηρούμενη ταχεία ταχύτητα εναλλαγής των 5.850 Hz, η ακρίβεια του 90% (± 1%), η σχετικά χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, το ελαφρύ βάρος και η αντοχή στην ακτινοβολία φαίνεται να καθιστούν τους μυκητιακούς μεμριστόρ ελκυστικούς για εφαρμογές άκρης υπολογισμού, αεροδιαστημικής και ενσωματωμένου λογισμικού.

Ωστόσο, η ακρίβεια μειώθηκε καθώς η συχνότητα αυξήθηκε, οπότε δεν είναι πιθανό ότι όλα τα είδη σημάτων μπορούν να επεξεργαστούν/υπολογιστούν με αυτή τη μέθοδο.

Πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι η μέθοδος δημιουργεί μόνο βιοδιασπώμενα υλικά (το Shiitake κατάλληλο για τρόφιμα καλλιεργείται σε ξυλοπόστα) και δεν απαιτεί σπάνια γαλαζία ή τοξικά υλικά, σε αντίθεση με τα συμβατικά ηλεκτρονικά τσιπ.

Μελλοντικές Προοπτικές

Η μελέτη εδώ ήταν μια πρώτη δοκιμή και είχε περιορισμούς με δύο τρόπους:

• Τα τεστ ήταν σχετικά σύντομα, διαρκώντας μόνο 2 μήνες. Έτσι η μακροπρόθεσμη ικανότητα των μυκητιακών μεμριστόρ χρειάζεται ακόμη να διερευνηθεί.
• Η μέθοδος χρησιμοποίησε μαζική παραγωγή, ενώ οι πραγματικές εφαρμογές θα απαιτούσαν μικροκαλλιέργεια του μυκήλιου που καλλιεργείται σε αφιερωμένο περιβάλλον, παρέχοντας πολύ μικρότερα και πολύ πιο ελεγχόμενα αποτελέσματα.

Άρα αυτό είναι ουσιαστικά μόνο μια απόδειξη της έννοιας, μια επίδειξη ότι κάτι τόσο εξωτικό όπως η μυκητιακή υπολογιστική είναι ακόμη δυνατό και αξιόπιστο.

Οποιοδήποτε μελλοντικό σχέδιο πιθανότατα θα χρησιμοποιήσει πιο συνεπείς τεχνικές καλλιέργειας με χρήση προτύπων και δομών 3D‑εκτύπωσης που διαμορφώνουν το μανιτάρι Shiitake στην επιθυμητή γεωμετρία.

Ο προγραμματισμός θα μπορούσε επίσης να διευκολυνθεί με την προσθήκη ηλεκτρικών επαφών σε μια δομή καλλιέργειας 3D‑εκτύπωσης.

Τέλος, η μακροπρόθεσμη χρήση θα απαιτούσε διατήρηση, η οποία θα μπορούσε να περιλαμβάνει διάφορες τεχνικές, όπως αφυδάτωση, ξήρανση, λειοψύξη, ορισμένα υδρογέλη και ειδικές επιστρώσεις.

Παρόλα αυτά, η ιδέα της ανάπτυξης μεμριστόρ αποκλειστικά με οργανικά υλικά, και ανθεκτικό, φθηνό και βιοδιασπώμενο υλικό μανιταριού, είναι συναρπαστική.

Επένδυση στη Βιοεκτύπωση

BICO Group AB (BICO.ST)

Καθώς η υπολογιστική βασισμένη σε οργανικά υλικά προοδεύει, η 3D εκτύπωση ζωντανών ιστών πιθανότατα θα γίνει ένα ολοένα και πιο χρησιμοποιούμενο εργαλείο. Πρώτα στην έρευνα και στη συνέχεια για την πραγματική παραγωγή συσκευών που αξιοποιούν αυτή την τεχνολογία.

Ένας ηγέτης στον τομέα είναι η Cellink, των οποίων οι μηχανές χρησιμοποιούνται για βιοεκτύπωση από ερευνητές σε όλο τον κόσμο.

Πηγή: Cellink

Το 2021, η Cellink μετονομάστηκε σε BICO Group, μετά την εξαγορά της Cytena το 2019 και της Scienion το 2020.

Η Cellink παραμένει το εμπορικό όνομα για το τμήμα βιοεκτύπωσης της επιχείρησης. Αυτό θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ιστών ή οργάνων 3D κατ’ απαίτηση. (Μπορείτε να διαβάσετε μια συζήτηση για αυτό το θέμα στο “3D Printing Human Organs – How Realistic Is It?”).

Η βιοεκτύπωση αντιπροσωπεύει περίπου το 1/5 της επιχείρησης, με το τμήμα αυτοματοποίησης βιοεπιστήμης, συμπεριλαμβανομένης της απεικόνισης βιολογικών δειγμάτων, να συνεισφέρει περισσότερο από 3/5^th των εσόδων.

Πηγή: BICO Group AB

Μακροπρόθεσμα, οι εταιρείες βιοεκτύπωσης πιθανότατα θα εξελιχθούν από την παροχή εργαλείων σε ερευνητές σε προμηθευτές θεραπειών βιοεκτύπωσης για φαρμακευτικές εταιρείες προς τους ασθενείς.

Αυτό, με τη σειρά του, θα αλλάξει εντελώς τον αριθμό των βιοεκτυπωτών σε χρήση και, πιο σημαντικά, τον όγκο των αναλωσίμων που πωλούνται κάθε μήνα.

Αυτή είναι η ίδια διαδικασία που συνέβη για άλλους κατασκευαστές εξοπλισμού βιολογικών εργαστηρίων, συμπεριλαμβανομένων των μηχανών αλληλούχισης γονιδιώματος από την PacBio (PACB) και την Illumina (ILMN), που καταλήγουν να κερδίζουν το 80% των εσόδων τους από επαναλαμβανόμενες πωλήσεις αναλωσίμων.

Καθώς η BICO Group δεν εξαρτάται αποκλειστικά από αυτόν τον τομέα, μπορεί να συνεχίσει τη βελτίωση της τεχνολογίας μέχρι να φτάσει σε κρίσιμη μάζα χρηστών, ενώ ταυτόχρονα κερδίζει χρήματα και χτίζει το δίκτυο πωλήσεών της με βιοερευνητές από τα άλλα, πιο ώριμα προϊόντα της στην αυτοματοποίηση βιοεπιστήμης.