Внутри лаборатории, где растут компьютеры-грибы

На первый взгляд Лаборатория нетрадиционных вычислений выглядит как обычное рабочее пространство с компьютерами и научными приборами на чистых, гладких столешницах. Но если присмотреться, начинают появляться аномалии. Серия видео, которыми поделились с PopSci , демонстрирует странные причуды этого исследования: поверх захламленных столов стоят большие пластиковые контейнеры с электродами, торчащими из пенообразного вещества, и массивная материнская плата с крошечными вешенками, растущими поверх них. это.

Нет, эта лаборатория не пытается воссоздать сцены из «Последних из нас». Исследователи уже какое-то время работают над подобными вещами: они были основаны в 2001 году с верой в то, что компьютеры грядущего века будут состоять из химических или живых систем или программного обеспечения, которые будут работать в гармонии с оборудованием и программное обеспечение.

Почему? Интеграция этих сложных динамических и системных архитектур в вычислительную инфраструктуру теоретически может позволить обрабатывать и анализировать информацию по-новому. И это определенно идея, которая получила распространение в последнее время, как видно из экспериментальных алгоритмов, основанных на биологии, и прототипов датчиков микробов и печатных плат чайного гриба .

Другими словами, они пытаются выяснить, могут ли грибы выполнять вычислительные функции.

В грибковых компьютерах мицелий — ветвящаяся, похожая на паутину корневая структура гриба — действует как проводники, а также как электронные компоненты компьютера. (Помните, грибы — это всего лишь плодовое тело гриба.) Они могут получать и посылать электрические сигналы, а также сохранять память.

«Я смешиваю культуры мицелия с коноплей или древесной стружкой, а затем помещаю их в закрытые пластиковые ящики и позволяю мицелию колонизировать субстрат, чтобы все выглядело белым», — говорит Эндрю Адамацки, директор Лаборатории нетрадиционных вычислений в Университете Нью- Йорка . Запад Англии в Бристоле, Великобритания. «Затем мы вставляем электроды и записываем электрическую активность мицелия. Итак, благодаря стимуляции это становится электрической активностью, и тогда мы получаем ответ». Он отмечает, что это единственная мокрая лаборатория в Великобритании, в которой присутствуют химические, жидкие или биологические вещества, на любом факультете компьютерных наук.

Классические компьютеры сегодня рассматривают проблемы как двоичные числа: единицы и нули, которые представляют собой традиционный подход, используемый этими устройствами. Однако большая часть динамики в реальном мире не всегда может быть зафиксирована с помощью этой системы. По этой причине исследователи работают над такими технологиями, как квантовые компьютеры (которые могли бы лучше имитировать молекулы) и чипы на основе живых клеток мозга (которые могли бы лучше имитировать нейронные сети), потому что они могут представлять и обрабатывать информацию различными способами, используя ряд сложных, многомерных функций и обеспечивают более точные расчеты для определенных задач.

Ученые уже знают, что грибы остаются связанными с окружающей средой и окружающими их организмами, используя своего рода «интернет-коммуникацию». Возможно, вы слышали, что это называется « деревянная паутина» . Расшифровав язык, который грибы используют для отправки сигналов через эту биологическую сеть, ученые могут не только получить представление о состоянии подземных экосистем, но и использовать их для улучшения наших собственных информационных систем.

Компьютеры-грибы могут предложить некоторые преимущества по сравнению с обычными компьютерами. Хотя они никогда не смогут сравниться по скорости с современными машинами, они могут быть более отказоустойчивыми (они могут самовосстанавливаться), реконфигурируемыми (они естественным образом растут и развиваются) и потребляют очень мало энергии.

Прежде чем наткнуться на грибы, Адамацки работал над компьютерами слизевиков — да, это связано с использованием слизевиков для решения вычислительных задач — с 2006 по 2016 год . по пространству.

Слизевики «интеллектуальны», что означает, что они могут решать проблемы, например находить кратчайший путь через лабиринт, без программистов, дающих им точные инструкции или параметры о том, что делать. Тем не менее, ими также можно управлять с помощью различных типов стимулов и использовать для имитации логических элементов, которые являются основными строительными блоками для схем и электроники.

Большая часть работы со слизевиками была проделана над задачами, известными как « дерево Штейнера » или «остовное дерево», которые важны при проектировании сети и решаются с помощью алгоритмов оптимизации поиска пути. «С помощью слизевика мы имитировали тропинки и дороги. Мы даже опубликовали книгу по биологической оценке дорожно-транспортных сетей», — говорит Адамацкий. «Кроме того, мы решили много проблем с вычислительной геометрией. Мы также использовали слизевики для управления роботами ».

Когда он завершил свои проекты по слизевикам, Адамацки задумался, не произойдет ли чего-нибудь интересного, если они начнут работать с грибами, организмом, который одновременно похож на Physarum и сильно отличается от него . «На самом деле мы обнаружили, что грибы производят шипы, похожие на потенциал действия. Те же спайки, что и нейроны», — говорит он. «Мы первая лаборатория, сообщившая о всплесках активности грибов, измеренных с помощью микроэлектродов, и первая, которая разработала грибковые вычисления и грибковую электронику».

В мозгу нейроны используют пиковую активность и паттерны для передачи сигналов, и это свойство было воспроизведено для создания искусственных нейронных сетей . Мицелий делает что-то подобное . Это означает, что исследователи могут использовать наличие или отсутствие пика как ноль или единицу и кодировать различное время и интервал между обнаруженными пиками, чтобы коррелировать с различными воротами, наблюдаемыми в языке программирования (или, и, и т. д. ) . Далее, если стимулировать мицелий в двух отдельных точках, то проводимость между ними увеличивается, и они общаются быстрее и надежнее, что позволяет установить память. Это похоже на то, как клетки мозга формируют привычки .

Мицелий с различной геометрией может выполнять различные логические функции и отображать эти цепи на основе получаемых от него электрических сигналов . «Если вы посылаете электроны, они будут всплесками», — говорит Адамацкий. «Возможно реализовать нейроморфные схемы … Можно сказать, я планирую сделать мозг из грибов».

До сих пор они работали с вешенками ( Pleurotus djamor) , грибами-призраками ( Omphalotus nidiformis) , трутовиками ( Ganoderma Resinaceum) , грибами Enoki ( Flammulina velutipes) , грибами с расщепленными жабрами ( Schizophyllum commune) и грибами-гусеницами ( Cordyceps militari).

«Сейчас это просто технико-экономическое обоснование. Мы просто демонстрируем, что можно реализовать вычисления и можно реализовать основные логические схемы и основные электронные схемы с помощью мицелия», — говорит Адамацки. «В будущем мы сможем выращивать более совершенные мицелиальные компьютеры и устройства управления».