有件事我完全沒預(yù)料到：基于真菌的電子器件或許能在某種類神經(jīng)計算中派上用場。等等，這到底是怎么回事？

事情是這樣的：美國俄亥俄州立大學(xué)的研究人員近期發(fā)現(xiàn)，一些常見的食用菌（比如香菇）可以被培養(yǎng)并 “訓(xùn)練” 成有機憶阻器—— 一種能夠記住過往電學(xué)狀態(tài)的電子元件（圖 1）。

圖 1：基于真菌憶阻器搭建的易失性存儲電路

研究人員使用真菌憶阻器和傳統(tǒng)插件式原型板搭建了易失性存儲電路。

他們的演示表明，這些基于香菇的器件不僅能表現(xiàn)出與半導(dǎo)體芯片相似、可重復(fù)的存儲效應(yīng)，還可用于制造其他低成本、環(huán)保、類腦計算的元器件。

說實話，人們很容易對這類研究嗤之以鼻，因為它們既沒有使用稀有材料，也沒有昂貴精密的儀器或復(fù)雜的實驗室裝置。

“冷門” 研究的潛力

從科技發(fā)展史中能得出一個結(jié)論：重大突破往往來自意想不到、最初被忽視的研究。你永遠(yuǎn)無法預(yù)知哪項 “不起眼” 的成果會石沉大海，哪一項會被繼續(xù)深挖，并最終成為某些重要、甚至顛覆性成果的基礎(chǔ)。

20 世紀(jì) 30 年代，伊西多?艾薩克?拉比發(fā)明了利用分子束磁共振測量當(dāng)時未知的原子核磁矩的方法（并因此獲得 1944 年諾貝爾物理學(xué)獎）—— 這無疑是一項非常前沿的成果 —— 但當(dāng)時科學(xué)界的普遍看法是：“知識上的重大進(jìn)步，但然后呢？”

直到三十年后，雷蒙德?達(dá)馬迪安博士才意識到這一現(xiàn)象可用于人體內(nèi)部成像和腫瘤檢測。他通過小規(guī)模實驗驗證了這一概念，并在 1977 年研制并演示了第一臺全身核磁共振系統(tǒng)，也就是現(xiàn)在的 MRI。（類似地，第一臺激光也曾被嘲諷為 “一個在尋找問題的解決方案”，而我們都知道后來的故事。）

研究團隊蘑菇憶阻器項目詳情

為探索這種新型憶阻器的性能，研究人員培養(yǎng)了香菇和雙孢蘑菇樣本。成熟后將其脫水以保證長期穩(wěn)定性，接入基礎(chǔ)電子電路，再用不同電壓和頻率進(jìn)行電刺激。

他們在蘑菇的不同位置連接導(dǎo)線和探針，因為蘑菇不同部位具有不同的電學(xué)特性。根據(jù)施加的電壓和連接點位置，他們觀察到了一系列截然不同的性能表現(xiàn)。

研究團隊發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用作讀寫存儲器（即 RAM）時，這種蘑菇憶阻器能夠以最高 5.850 kHz 的頻率在電學(xué)狀態(tài)間切換，準(zhǔn)確率約 90%。隨著電壓頻率升高，性能會下降，但就像真正的大腦一樣，可以通過在電路中連接更多蘑菇來修復(fù)性能。

在電學(xué)測試中，研究人員對每個樣本施加交流電，并使用數(shù)字示波器測量相應(yīng)的電流 - 電壓（I–V）特性。

為提取準(zhǔn)確的電流值，每個樣本都串聯(lián)一個已知阻值的分流電阻，采用標(biāo)準(zhǔn)分流測量方案（圖 2）。為全面研究 4 種菌絲覆蓋密度不同樣本的類憶阻行為，研究人員分別使用方波和正弦波進(jìn)行電壓掃描。

圖 2：通過測量已知分流電阻兩端電壓來確定電流

研究采用標(biāo)準(zhǔn)測量方法：通過測量已知分流電阻兩端的電壓，計算流過樣本的電流。

方波用于檢測基于閾值的陡峭電阻變化，而正弦波輸入則能揭示更細(xì)微、連續(xù)的類存儲行為。這種雙波形方案能夠在 I–V 曲線中識別出滯回環(huán)，這是憶阻器功能的關(guān)鍵特征。

研究團隊還設(shè)計了另一套電路，用于測試兩個串聯(lián)真菌樣本的易失性存儲特性（前提是真菌表現(xiàn)出類憶阻行為）。測試設(shè)定一個任意模擬電壓值為高電平，低于該閾值則為低電平。頻率范圍從 200 Hz 開始，最高到 5.85 kHz。

考慮到憶阻器的極性特性，研究人員又基于 Arduino 微控制器開發(fā)板設(shè)計了一套電路。該電路包含由兩個憶阻元件組成的分壓電路，可以設(shè)置與讀取操作極性相反的電壓（圖 3）。

圖 3：用于易失性存儲測試的評估電路

該電路用于對真菌樣本進(jìn)行易失性存儲特性測試。

所用電壓均約為 5 V。連接的 Arduino UNO 在讀取憶阻電橋時，通過一個數(shù)字輸出引腳循環(huán)向包含半整流正弦波的繼電器施加高電平信號，從而為分壓器充電。

這一過程會引發(fā)電阻不對稱性：靠近輸入端的憶阻器電阻減小，而輸出端的憶阻器電阻增大。隨后通過模擬輸入引腳讀取分壓器兩端電壓，并使用另一個數(shù)字引腳在分壓器兩端施加 5 V 電壓。只有當(dāng)測量電壓超過預(yù)設(shè)閾值時，Arduino 才會將存儲狀態(tài)判定為 “開”，從而基于憶阻器的瞬態(tài)電阻狀態(tài)實現(xiàn)易失性存儲檢測。

測試結(jié)果與結(jié)論

研究團隊還進(jìn)行了大量不同電壓、頻率和其他參數(shù)的測試，包括對憶阻分壓器進(jìn)行單次和連續(xù)讀寫操作的易失性存儲測試（圖 4）。

圖 4：易失性存儲器單次寫入與讀取結(jié)果

圖表展示了易失性存儲單元單次寫入與讀取的測試結(jié)果。

研究人員表示，目前很難對結(jié)果的意義給出絕對定論。不過，他們發(fā)表在 PLOS ONE 期刊上的論文《基于香菇菌絲的可持續(xù)憶阻器用于高頻生物電子學(xué)》提供了詳細(xì)的實驗設(shè)置與結(jié)果表格，讀者可以自行得出結(jié)論。他們還指出，真菌具有抗輻射特性，這可能使其適用于太空應(yīng)用。

盡管研究人員強調(diào)蘑菇器件相比傳統(tǒng)固態(tài)器件更具環(huán)境 “可持續(xù)性”，但這項工作提出了一個更大的問題：“有機” 網(wǎng)絡(luò)是否可能成為一項顛覆性技術(shù)？

畢竟，擁有大腦（僅 3 磅重，功耗約 50 瓦）并借助外部傳感器（眼睛、肌肉、觸覺）的人體就能駕駛汽車。然而，要打造 L5 甚至 L4 級自動駕駛汽車，卻需要巨大的算力、直流工作電源、相機、激光雷達(dá)、復(fù)雜算法等。大腦顯然沒有執(zhí)行圖像識別和決策算法，也沒有進(jìn)行高強度計算，卻能完成這些任務(wù)。

也許當(dāng) L5 級汽車的處理架構(gòu)更像擁有有機神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人類大腦，而不是布爾邏輯的 “硬” 門電路時，它們才會真正普及？

到底什么是憶阻器？

憶阻器是與電阻、電容、電感并列的第四種基本無源電子元件。

它是一種非線性器件，其特性無法用其他三種基本元件的任何組合來復(fù)現(xiàn)，因為它將持久存儲與電阻結(jié)合在了一起。憶阻器的電阻會 “記住” 電流最后一次接通時的阻值。因此，理論上它可用于制造無需持續(xù)供電即可保持?jǐn)?shù)據(jù)的固態(tài)存儲器件。

憶阻器最早由加州大學(xué)伯克利分校的電子工程教授 蔡少棠（Leon Chu） 于 1971 年理論預(yù)言。但直到 2000 年代初，惠普團隊才真正制造出物理器件。它曾因其在非易失性存儲中的潛力而備受矚目，被譽為元器件領(lǐng)域的 “下一個大事件”。業(yè)界甚至認(rèn)真嘗試將憶阻器集成到固態(tài)器件中。

但與許多研究進(jìn)展一樣，由于性能、可制造性、密度、成本、兼容性以及競爭技術(shù)進(jìn)步等多種原因，它并未取得預(yù)期的成功與普及。如今，憶阻器在元器件領(lǐng)域大多只是一個歷史 “注腳”。但永遠(yuǎn)不要說 “永遠(yuǎn)不可能”—— 隨著技術(shù)需求、能力和環(huán)境的變化，有些曾經(jīng)失敗的成果可能會卷土重來。