Schimmelcomputers: Hoe Paddestoelen Neuromorfe Chips Aandrijven

Een nieuw type biologische computer

Computing werd aanvankelijk ontwikkeld met analoge technologie, die verschilt van digitale technologie doordat het complexere (en rommelige) signalen gebruikt in plaats van duidelijk onderscheiden 1 & 0.

Bron: Unison Audio

In het algemeen is een digitaal signaal makkelijker te analyseren, repliceren en verzenden. Maar een analoog signaal is beter in het omgaan met de complexiteit van een realistische situatie, met al zijn nuances.

Daarom kijken wetenschappers terug naar analoge vormen van computing voor nieuwe ontwikkelingen in AI, sensortechnologie en andere toepassingen. Dit omvat vele verschillende ontwerpen van zogenaamde neuromorfe chips, die nabootsen hoe de hersenen gegevens verwerken.

Een nieuwe ontwikkeling richting het gebruik van hersenachtige vermogens voor computing is de opkomst van echte biologische computers, die organisch weefsel gebruiken om taken uit te voeren die normaal aan siliciumchips worden toevertrouwd. Een voorbeeld hiervan zijn organoïden, in laboratorium gekweekte weefsels geproduceerd uit menselijke neuronen, die in staat zijn om rekenkundige taken uit te voeren.

In combinatie met nieuwe technieken voor 3D-printen van functioneel hersenweefsel, kan dit de weg vrijmaken voor een geheel nieuw, vreemd soort rekenmogelijkheden.

Een ander type elektronische component dat biologische componenten benut, moet aan de lijst worden toegevoegd, waarbij wetenschappers van de Ohio State University neuromorfe organische memristoren hebben gecreëerd, een soort gegevensprocessor die eerdere elektrische toestanden kan onthouden. Alleen hebben ze het niet uit neuronen gemaakt, maar uit paddestoelen.

Ze publiceerden hun ontdekking in het wetenschappelijke tijdschrift PLOS One, onder de titel “Sustainable memristors from shiitake mycelium for high-frequency bioelectronics“.

Waarom neuromorfe computing gebruiken?

Opkomst van de NPU’s

Neurale verwerkingsunits (NPU’s), ook wel neuromorfe chips genoemd, zijn een type AI-hardware die enkele voordelen biedt ten opzichte van meer traditionele chips zoals CPU’s en GPU’s:

• Meer flexibel ontwerp, waardoor de chiparchitectuur zich kan aanpassen aan trainingsdata.
• Veel lager energieverbruik, soms zo laag als 1/100^thvan een vergelijkbare GPU.
• Minder warmteproductie helpt bij het aanpakken van het groeiende koelprobleem in geavanceerde AI-datacenters.

(U kunt meer lezen over AI-gespecialiseerde hardware, inclusief NPU’s, in ons speciale rapport.)

“In staat zijn microchips te ontwikkelen die echte neurale activiteit nabootsen betekent dat je niet veel stroom nodig hebt voor standby of wanneer de machine niet wordt gebruikt.

Dat kan een enorm potentieel computationeel en economisch voordeel zijn.

John LaRocco – onderzoekwetenschapper in psychiatrie aan de College of Medicine van Ohio State.

Veel methoden worden momenteel onderzocht om neuromorfe chips te creëren:

• Benut incipient ferroelectriciteit, een nog slecht begrepen fenomeen.
• Actief substraat met vanadium of titanium.
• Gebruik van memristoren, een nieuw type elektronische component, die AI-taken kan uitvoeren met 1/800^thvan het normale energieverbruik.

Hoe memristoren synapsen nabootsen

Memristoren zijn elektronische componenten die synapsen nabootsen

Dit kan de energie- en tijdsverliezen door het heen en weer verplaatsen van data tussen processoren en geheugen aanzienlijk verminderen.

Een van de belangrijkste sterktes van memristoren is hun capaciteit voor efficiënte en zelfadaptieve in-situ leermogelijkheden, wat cruciaal is voor toepassingen in robotica en autonome voertuigen.

Bovendien is het lage energieverbruik van memristoren bijzonder voordelig in robotica en autonome voertuigen, waar energie‑efficiëntie van het grootste belang is. Hybride analoog‑digitale memristorsystemen kunnen het energieverbruik tijdens verwerking minimaliseren zonder in te leveren op reactievermogen.

Het probleem tot nu toe is dat het maken van elektronische memristoren afhankelijk is geweest van opkomende technologieën met lage productierendementen en onbetrouwbare elektronische prestaties, vanwege de recentheid van deze technologie.

Het gebruik van echte neuronen, zoals bij organoïden, is ook een optie, maar neuronen zijn eigenlijk zeer moeilijke cellen om mee te werken, ze zijn relatief fragiel en moeilijk te kweken.

Maar neuronen zijn niet de enige biologische weefsels die in staat zijn elektrische signalen te verwerken en erop te reageren.

Een potentieel alternatief is mycelium, het weefsel dat gewone paddestoelen vormt, een type organisme dat bekend staat om zijn opmerkelijke stevigheid. Ze kunnen worden gekweekt met eenvoudigere bioreactoren en voedingsculturen dan die nodig zijn voor conventionele neuronen en neurale organoïden.

Mushroomcomputers bouwen?

Schimmelmaterialen vertonen geleidende paden die dynamisch kunnen ontstaan onder invloed van elektrische stimuli, vergelijkbaar met de geleidende filamenten die in conventionele memristoren worden gevormd.

Deze aanpasbaarheid kan leiden tot verbeterde prestaties in neuromorfe toepassingen door het faciliteren van variabele weerstandstoestanden die synaptisch gedrag nauwkeuriger nabootsen dan traditionele memristieve materialen.

Organische materialen hebben bovendien het voordeel dat ze effectief kunnen werken bij lagere spanningen terwijl ze de stabiele schakelkarakteristieken behouden die belangrijk zijn voor memristoren, zelfs lager dan voor elektronische memristoren, die zelf veel minder energie verbruiken dan traditionele rekencomponenten.

Dit kan belangrijk zijn voor energiezuinige apparaten voor draagbare elektronica en Internet‑of‑Things‑toepassingen die mogelijk afhankelijk zijn van een zeer lage energievoorziening.

Veeg om te scrollen →

Waarom eetbare paddestoelen geschikt zijn voor computing

De onderzoekers gebruikten gewone champignons, evenals eetbare en medicinale Shiitake-paddestoelen voor hun experimenten, beide soorten waarvan de teelt goed begrepen en goedkoop is.

Shiitake-paddestoelen zijn eerder aangetoond een poreuze koolstofstructuur te hebben wanneer geactiveerd. Deze poreuze structuur kan de elektrochemische prestaties van apparaten verbeteren, waardoor ze geschikte kandidaten zijn voor gebruik in energieopslagsystemen, inclusief supercondensatoren en mogelijk memristoren.

Ze zijn ook zeer stralingsbestendig, wat kan helpen bij toepassingen zoals de ruimtevaart, waar elektronische chips beschadigd kunnen worden door ioniserende straling zoals UV en zonnestormen.

Fungale elektrische respons

De wetenschappers verbonden de testschimmelmassa nadat deze gedehydrateerd was.

Bron: PLOS One

Ze werden vervolgens getest over een reeks spanningen, golfvormen en frequenties voor hun potentiële memristorcapaciteiten.

Het reagerende analoge signaal vertoonde sterke memristieve kenmerken, waarbij het in analoog de digitale signaal nabootste.

Bron: PLOS One

Over het algemeen lijken de waargenomen snelle schakelsnelheid van 5.850 Hz, een nauwkeurigheid van 90 % (± 1 %), relatief laag energieverbruik, licht gewicht en stralingsbestendigheid fungale memristoren aantrekkelijk te maken voor edge‑computing, ruimtevaart en embedded firmware‑toepassingen.

Echter, de nauwkeurigheid nam af naarmate de frequentie steeg, dus niet alle soorten signalen kunnen waarschijnlijk met die methode worden verwerkt/gerekend.

Het moet ook worden opgemerkt dat de methode alleen biologisch afbreekbare materialen produceert (voedselkwaliteit shiitake wordt gekweekt op houtchips) en geen zeldzame aardmetalen of giftige materialen vereist, in tegenstelling tot conventionele elektronische chips.

Toekomstig potentieel

De studie hier was een eerste proef, en was op twee manieren beperkt:

• De tests waren relatief kort, slechts 2 maanden. Dus de langetermijncapaciteit van de fungale memristoren moet nog worden onderzocht.
• De methode gebruikte een bulkproductie, terwijl daadwerkelijke toepassingen een microkweek van het mycelium in een speciale omgeving zouden vereisen, wat veel kleinere en beter gecontroleerde resultaten oplevert.

Dit is dus eigenlijk slechts een proof‑of‑concept, een demonstratie dat iets zo exotisch als fungale computing zelfs mogelijk en betrouwbaar is.

Elk toekomstig ontwerp zou waarschijnlijk gebruik maken van meer consistente kweektechnieken met 3D‑geprinte sjablonen en structuren die de shiitake-paddestoel in de gewenste geometrie vormen.

Programmeren kan ook worden vergemakkelijkt door elektrische contacten toe te voegen aan een 3D‑geprinte kweekstructuur.

Ten slotte zou langdurig gebruik behoud vereisen, wat een verscheidenheid aan technieken kan omvatten, waaronder dehydratie, uitdroging, vriesdrogen, bepaalde hydrogelletjes en speciale coatings.

Desondanks is het idee om memristoren te ontwikkelen met uitsluitend organische materialen, en resistent, goedkoop en biologisch afbreekbaar paddestoelmateriaal, intrigerend.

Investeren in bioprinten

BICO Group AB (BICO.ST)

Naarmate organisch gebaseerde computing vordert, zal 3D-printen van levende weefsels waarschijnlijk een steeds vaker gebruikt hulpmiddel worden. Eerst in onderzoek, en daarna voor de daadwerkelijke productie van apparaten die deze technologie benutten.

Een leider in het veld is Cellink, waarvan de machines wereldwijd door onderzoekers worden gebruikt voor bioprinten.

Bron: Cellink

In 2021 werd Cellink hernoemd tot de BICO Group, na de overname van Cytena in 2019 en Scienion in 2020.

Cellink is nog steeds de merknaam voor het bioprint‑gedeelte van het bedrijf. Dit zou ook kunnen worden gebruikt voor het creëren van on‑demand 3D‑weefsels of organen. (U kunt een discussie over dit onderwerp lezen in “3D Printing Human Organs – How Realistic Is It?”).

Bioprinting vertegenwoordigt ongeveer 1/5^th van het bedrijf, met het bioscience‑automatiseringssegment, inclusief beeldvorming van biologische monsters, die meer dan 3/5^th van de omzet.

Bron: BICO Group AB

Op de lange termijn zullen bioprint‑bedrijven waarschijnlijk evolueren van het leveren van gereedschap aan onderzoekers naar het worden van leveranciers van bioprint‑therapieën voor farmaceutische bedrijven voor patiënten.

Dit zal op zijn beurt het aantal gebruikte bioprintere aanzienlijk veranderen en, nog belangrijker, het volume aan verbruiksartikelen dat elke maand wordt verkocht.

Dit is hetzelfde proces dat plaatsvond bij andere fabrikanten van biolab‑apparatuur, waaronder genoomsequencing‑machines van PacBio (PACB) en Illumina (ILMN), die uiteindelijk 80 % van hun omzet genereren uit terugkerende verkoop van verbruiksartikelen.

Aangezien de BICO Group niet uitsluitend afhankelijk is van dit veld, kan ze de technologie blijven verbeteren totdat ze een kritische massa gebruikers bereikt, terwijl ze ook geld verdient en haar verkoopnetwerk opbouwt met bioresearchers via haar andere, meer volwassen producten in bioscience‑automatisering.