菌類コンピュータ：キノコがニューロモルフィックチップを駆動する方法

新しいタイプの生物コンピュータ

コンピューティングは当初、アナログ技術で開発されました。デジタル技術とは異なり、明確に区別された 1 と 0 の代わりに、より複雑（そして乱雑）な信号を使用します。

出典: Unison Audio

一般に、デジタル信号は解析、複製、送信が容易です。しかし、アナログ信号は実世界の状況の複雑さや微妙なニュアンスを扱うのに優れています。

このため、科学者たちは AI やセンシング、その他の応用における新たな開発のために、アナログ型コンピューティングに再び注目しています。これには、脳がデータを処理する方法を模倣した「ニューロモルフィック」チップと呼ばれるさまざまな設計が含まれます。

脳に似た能力を利用したコンピューティングへの新たな展開として、実際の生体コンピュータが登場しています。これは、有機組織を用いてシリコンチップが通常担うタスクを実行します。一例として、ヒトニューロンから培養されたオルガノイド がコンピューティングタスクを実行できることが挙げられます。機能的な脳組織の 3D プリント技術 と組み合わせることで、全く新しく奇妙なコンピューティング能力への道が開かれる可能性があります。

リストに加えるべき別のタイプの電子部品は、生物学的成分を活用したものです。オハイオ州立大学の研究者は、過去の電気状態を記憶できるデータプロセッサであるニューロモルフィック有機メムリスタを作成しました。ただし、ニューロンではなくキノコから作られています。

彼らはこの発見を科学誌 PLOS One に「Sustainable memristors from shiitake mycelium for high-frequency bioelectronics」というタイトルで掲載しました。

なぜニューロモルフィックコンピューティングを使用するのか？

NPUs の台頭

ニューラルプロセッシングユニット（NPUs）は、ニューロモルフィックチップとも呼ばれ、CPU や GPU などの従来型チップに比べていくつかの利点があります。

• 設計がより柔軟で、チップアーキテクチャがトレーニングデータに適応できる。
• エネルギー消費がはるかに低く、場合によっては同等の GPU の 1/100 ほどになることもある。
• 熱生成が少ないため、先進的な AI データセンターで増大する冷却問題への対処に役立つ。

(NPUs を含む AI 特化型ハードウェアについて、当社の専用レポートで詳しく読むことができます。)

“実際の神経活動を模倣するマイクロチップを開発できれば、スタンバイ時や機械が使用されていないときに多くの電力を必要としません。

これは、計算上および経済上の大きな潜在的利点となり得ます。

John LaRocco – オハイオ州立大学医学部の精神医学研究科学者。

現在、ニューロモルフィックチップを作成するためにさまざまな方法が検討されています。

• まだ十分に解明されていない現象である初期フェロエレクトリシティを活用する。
• バナジウムまたはチタンを使用したアクティブ基板。
• メムリスタを使用する。これは新しいタイプの電子部品で、通常の電力消費の 1/800 で AI タスクを実行できる。

メムリスタがシナプスを模倣する方法

メムリスタは、電源が切れた後にどの電気状態に切り替えられたかを記憶することで、ニューロンを接続するシナプスを模倣する電子部品です。

これにより、プロセッサとメモリ間でデータをやり取りする際に失われるエネルギーと時間を大幅に削減できます。

メムリスタの主要な強みの一つは、効率的で自己適応的なインシチュ学習能力であり、ロボットや自律走行車の応用にとって重要です。

さらに、メムリスタの低消費電力は、エネルギー効率が最重要となるロボットや自律走行車に特に有益です。ハイブリッドのアナログ・デジタルメムリスタシステムは、応答性を犠牲にせずに処理中の電力使用を最小化できます。

これまでの問題は、電子メムリスタの製造が、まだ新しい技術であるため、低い生産歩留まりと信頼性の低い電子性能に依存していることです。

オルガノイドのように実際のニューロンを使用することも可能ですが、ニューロンは比較的脆弱で培養が難しいため、取り扱いが非常に困難です。

しかし、ニューロンだけが電気信号を処理・応答できる生体組織ではありません。

代替案として有望なのは、普通のキノコを構成する菌糸体です。この生物は驚異的な頑丈さで知られています。従来のニューロンや神経オルガノイドに必要なものよりも、シンプルなバイオリアクターと培地で培養できます。

キノココンピュータを構築する？

菌類材料は、電気刺激の影響下で動的に形成される導電経路を示し、従来のメムリスタで形成される導電フィラメントに似ています。

この適応性により、可変抵抗状態を促進し、従来のメムリスタ材料よりもシナプス動作をより正確に模倣することで、ニューロモルフィック応用における性能向上が期待できます。

有機材料は、低電圧で効果的に動作しながら、メムリスタにとって重要な安定したスイッチング特性を維持できるという利点もあります。これは、従来のコンピューティング部品よりもはるかにエネルギー消費が少ない電子メムリスタよりもさらに低い電圧です。

これは、極めて低いエネルギー供給に依存する可能性のある、ポータブルエレクトロニクスや IoT アプリケーション向けの省エネルギーデバイスにとって重要です。

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食用キノコがコンピューティングに適している理由

研究者は、一般的なボタンマッシュルームと、食用・薬用のシイタケを実験に使用しました。これらの種は栽培方法がよく理解されており、コストも低いです。

シイタケは、活性化された際に多孔質炭素構造を持つことが以前に示されており、この多孔質構造はデバイスの電気化学的性能を向上させ、スーパーキャパシタや将来的にはメムリスタとしての使用に適した候補となります。

また、シイタケは放射線耐性が非常に高く、紫外線や太陽風などの電離放射線で電子チップが損傷する可能性がある宇宙航空分野のような応用に役立つ可能性があります。

菌類の電気応答

科学者は、試験用の菌体を脱水後に接続しました。

出典: PLOS One

その後、さまざまな電圧、波形、周波数範囲でメムリスタとしての可能性をテストしました。

応答したアナログ信号は強いメムリスタ特性を示し、デジタル信号をアナログで模倣していました。

出典: PLOS One

全体として、観測された 5,850 Hz の高速スイッチング、90%（±1%）の精度、比較的低いエネルギー消費、軽量、放射線耐性は、菌類メムリスタをエッジコンピューティング、航空宇宙、組み込みファームウェアの応用に魅力的にしています。

しかし、周波数が上がるにつれて精度が低下したため、すべてのタイプの信号がこの方法で処理・計算できるわけではない可能性があります。

また、この手法は生分解性材料（食用グレードのシイタケは木チップで培養）しか生成せず、従来の電子チップとは異なり、レアアースや有害物質を必要としないことも指摘すべきです。

将来の可能性

本研究は最初の試みであり、以下の二点で制限がありました。

• テスト期間は比較的短く、わずか 2 ヶ月間しか実施されませんでした。そのため、菌類メムリスタの長期的な性能はまだ調査が必要です。
• この手法は大量生産を使用しましたが、実際の応用では専用環境で培養された菌糸体のマイクロ培養が必要となり、はるかに小さく、より制御された結果が得られます。

したがって、これは概念実証に過ぎず、菌類コンピューティングのようにエキゾチックなものでも実現可能で信頼できることを示すデモです。

将来の設計では、3D プリントされたテンプレートや構造を使用してシイタケを目的の形状に形成する、より一貫した培養技術が採用される可能性があります。

プログラミングは、3D プリントされた培養構造に電気接点を追加することで容易になるでしょう。

最後に、長期使用には保存が必要であり、脱水、乾燥、凍結乾燥、特定のハイドロゲル、特殊コーティングなど、さまざまな技術が考えられます。

それでも、完全に有機材料のみでメムリスタを開発し、耐久性があり、安価で生分解性のキノコ材料を使用するという考えは興味深いです。

バイオプリンティングへの投資

BICO Group AB (BICO.ST)

有機ベースのコンピューティングが進むにつれ、生体組織の 3D プリントはますます利用されるツールになると考えられます。まず研究段階で、次にこの技術を活用したデバイスの実際の製造へと拡大します。

この分野のリーダーの一つは Cellink で、同社の装置は世界中の研究者によってバイオプリンティングに使用されています。

出典: Cellink

2021 年に、Cellink は 2019 年の Cytena と 2020 年の Scienion の買収に続き、BICO Group に名称変更されました。

Cellink は依然として事業のバイオプリンティング部門のブランド名です。これはオンデマンドで 3D 組織や臓器を作成するためにも使用できます。（このトピックに関する議論は「3D Printing Human Organs – How Realistic Is It?」で読むことができます。）

バイオプリンティング は事業の約 1/5 を占めており、バイオサイエンスオートメーション部門（生体サンプルのイメージングを含む）が収益の 3/5 以上を生み出しています。

出典: BICO Group AB

長期的には、バイオプリンティング企業は研究者向けツールの提供から、製薬会社の患者向けバイオプリンティング治療の供給者へと進化する可能性があります。

これにより、使用されるバイオプリンターの数は大幅に変化し、さらに重要なのは、毎月販売される消耗品の量が完全に変わります。

これは、PacBio（PACB）や Illumina（ILMN）などのゲノムシーケンシング装置を手掛ける他のバイオラボ機器メーカーでも同様に起こり、消耗品の継続的な販売から収益の 80% を占める結果となっています。

BICO Group はこの分野だけに依存していないため、ユーザーが臨界質量に達するまで技術の改善を続けると同時に、他のより成熟したバイオサイエンスオートメーション製品でバイオ研究者からの売上と販売ネットワークを構築し、収益を上げることができます。