俄亥俄州立大学研究：香菇菌丝体可以造芯片

高端芯片行业在技术上面临摩尔定律失效的问题，在能源上要应对AI这个耗电大户，在制作上又要时刻关注稀土动态，怪不得头部企业、科研团队一直都想做神经计算芯片也就是类脑芯片，因为它耗能比一个灯泡还低，又能存算一体、平行计算。

造类脑芯片除了走半导体模仿的老路，还可以直接“培养”一个“神经类器官”，再将其作为未来计算机的核心元件“忆阻器”——而香菇则在其中用处颇大。

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在蘑菇中找“大脑”

除了用来吃，香菇还能当电子元器件？这也太天方夜谭了吧？近日，美国俄亥俄州立大学的研究团队在这个我们熟悉的食材上发现了“玄机”。当然，他们不是真的要用香菇干什么，而是看上了香菇生长时藏于地底或木材的菌丝体（mycelium），也就是蘑菇的根。

这个由许多细长的菌丝构成的网络结构广泛存在于自然界，是真菌吸收养分、生长繁殖的重要结构。可别小看了菌丝体，这可是天然的“光纤网络”，本来就具有一些“类神经网络”的特征，比如电信号传输能力。

另外它们还超好养，丢一点小麦、干草、胚芽等农业废料就能长出一大片；重点是它还抗辐射，这意味着哪怕把它们丢到外太空都能存活。

于是研究团队先培养香菇和蘑菇的菌丝体，等它们的菌丝体成熟后，将其脱水以保持稳定性。这时候硬化的菌丝体就像我们买干香菇，等用的时候再泡泡水就能恢复原样。

可不要小看晒干这一步。以往的实验中，不是没人想过培育神经类器官作为元器件，但总是有“湿漉漉”这一致命缺陷。脱水后的菌丝体，等到要用的时候也会撒点水，让它微“活”过来；但也不能太湿润，以至于破坏它的机械结构。

香菇的菌丝体接至特制的电子电路

之后，研究人员将其接至特制的电子电路，通上不同电压和频率的电流，观察其变化。香菇的菌丝体虽然没在通电中真的复活，但也确实出现一个过人之处：它竟然有了记忆，它能记住电流是怎么通过自己的，这可是电子元件“忆阻器”的重要特征。

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菌丝体和忆阻器的共同DNA

所谓的有记忆，是指在实验中，随着电压变化，菌丝体内的离子通道会打开或关闭，改变其导电性，而且这种变化会被“记忆”下来——怎么判断它能记下，又为什么说这是忆阻器的重要特征？

先说说什么是忆阻器。用水龙头来举例，普通水龙头你拧开多大，水流就是多大；一关掉，水流就停了，它对你之前拧过多少次、拧过多大没有任何记忆，永远只“响应当下”。

但如果这个水龙头有记忆呢？如果你把它开到最大再关上，那么下次只要轻轻一拧，它就会自动喷出很大的水流。反之，如果你之前一直只开得很小，它下次就会“懒洋洋”地流出一点点水。这就是所谓的“有记忆”，它能记得你过去的使用习惯，并根据使用历史来改变自己的行为。

电气原理也一样，水流量对应电流，水压对应电压，而水龙头的开合程度对应电阻。普通元器件的电阻数值是固定的，而“有记忆的电阻”就是我们常说的忆阻器（Memristor），它的电阻值会随着流经它的电流或所承受的电压变化而改变。更神奇的是，即使你完全断电，它仍然能“记住”上一次的状态，直到下次通电时再被更新。

随着对人类大脑研究的深入，科学家发现人类的大脑突触也是这么工作的。当一个信号频繁地在神经元之间传递时，这个突触连接会变强，就像电阻变小；如果长期不用，它就会变弱，就像电阻变大。

这种可变的连接强度正是我们人类学习和记忆的物理基础。于是，忆阻器就成为了类脑芯片的理想基本单元。

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我们怎么知道它能记住？

现在再来说说怎么判断出菌丝体有了忆阻器的DNA。

在实验中，研究人员不是靠“问”的，而是靠“看”的，他们使用一种标准的方法来检测忆阻行为，即绘制“电流-电压特性曲线（I-V曲线）”。

实验中的电路结构示意图

他们先向香菇菌丝体施加了一个周期性变化的电压，比如让电压从0到正最大，回到0，再到负最大，再回到0。同时，他们精确测量流过菌丝体的电流。这个过程中，他们以电压为横坐标，电流为纵坐标，把整个周期内每一个电压点对应的电流值描点连线。

关键来了，对于普通电阻器，它的I-V曲线是一条笔直的直线：电压大电流就大，电压小电流就小，来回的路径完全重合，没有“记忆”。但如果这个材料是忆阻器，你就会看到一个神奇的现象：当电压从正半周变为负半周时，电流走的“路”和从负半周回到正半周时走的“路”不重合了，这两条路径会形成一个环！

这个环，就是“记忆”的铁证，它的学名叫“钳点滞后环（pinched hysteresis loop）”。这个环的存在本身就证明了，元器件的电阻不是由瞬时电压唯一决定的，而是由其历史决定的。

也可以说“钳点滞后环”就像是忆阻器的“指纹”，抓住它，就抓住了忆阻器的核心。

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更环保的未来“忆阻器”

从研究结果来看，当这个菌丝体被作为随机存储器（RAM）使用时，这些“蘑菇记忆电阻”可以以每秒5850次的速度，在不同电子状态之间切换，且准确率高达90%。

虽然电压上升时，效能会下降，但只要接上更多的蘑菇，就能再次提升效能。换句话说，用蘑菇制作的设备，正展现出与半导体晶片相似的记忆效应，有望制作出低成本且环保的元器件。

该研究的第一作者拉罗可（John LaRocco）表示：“如果能够用真菌发展出芯片，未来当设备待命或停止运行时，将不需要大量耗电，这能带来巨大的经济效益。”

他指出，与传统的记忆电阻相比，不必过度依赖稀土矿物与电力——这对于每个缺少稀土、电力的国家都是一个诱惑。只不过要实现这个目标，产品的一致性、响应速度、微型化等都是挑战所在。

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编辑｜张毅

主编｜黎坤

总编辑｜吴新

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