传统芯片制造不断逼近功耗与散热瓶颈、器件微缩成本持续上升的背景下,如何找到更低能耗、更可持续的新型计算与存储材料,成为国际科研与产业界共同关注的方向;近期,美国俄亥俄州立大学研究人员在《PLOS ONE》发表成果,提出利用香菇等可食用真菌的菌丝网络构建生物微芯片关键单元,显示出“能导电、会记忆”的特征,令“真菌计算”该跨学科探索受到关注。 一是问题:算力增长与能耗压力并存,存储与计算范式亟待突破。当前电子信息系统以硅基器件为主,虽然性能持续提升,但在高密度集成背景下,能耗、热管理、制造成本以及材料环境负担等问题日益突出。尤其在面向类脑智能的应用场景中,传统冯·诺依曼架构“存算分离”导致的数据搬运开销显著,成为能效提升的掣肘。由此,学界加快探索神经形态计算等新路线,寻求兼顾性能与能效的新型存储/计算单元。 二是原因:真菌菌丝具备天然网络结构与电学可塑性,为类脑器件提供材料基础。研究显示,香菇菌丝能够形成纵横交织的网络结构,可作为主要导电通道,并可与传统电子电路连接。更重要的是,菌丝对外加电信号的响应会随刺激历史发生变化,表现为类似忆阻器的特性。忆阻器是一类电阻状态可随电流“记录”而改变的器件,被认为与大脑突触的可塑性意义在于类比关系,是神经形态计算的重要硬件候选。该研究通过将处理后的菌丝网络接入电路,施加不同波形与频率的电信号,验证其是否表现出对电信号的“记忆”行为,实验结果显示其响应随频率变化明显,在10Hz、5V条件下准确率可达95%,高频条件下性能有所下降。 三是影响:为有机材料参与微芯片制造打开想象空间,也提出工程化挑战。一上,真菌材料来源广、可再生,若能实现稳定可控的器件级制造,有望为低碳、可持续电子器件提供新的材料路径。研究还指出,菌丝网络干燥脱水并重新加水后仍能保持功能,意味着其可通过脱水实现“培养、训练和保存”,并具备一定可重复使用性,这为未来工程化应用提供了关键线索。另一上,真菌器件要从实验室走向应用仍面临多重关口:其电学性能高频条件下衰减,说明在高速运算或高带宽场景中仍需改进;生物材料个体差异、环境敏感性以及长期稳定性和一致性,也是规模化制造必须回答的问题。此外,真菌与现有半导体工艺的接口标准、封装方式、寿命评估与可靠性测试体系仍需建立。 四是对策:强化跨学科协同与标准化验证,推进从“可行性”到“可用性”。研究人员提出,可通过并联多个真菌单元来弥补高频性能下降的不足,从而在系统层面模拟大脑“多突触并行”的工作方式。下一步,建议在材料与器件层面同步发力:其一,建立更精细的刺激训练与状态读写策略,提升响应的可控性与可重复性;其二,开展更长周期的稳定性测试,明确温湿度、营养状态等外部条件对电学行为的影响边界;其三,探索与传统电路互联的标准化接口与封装方案,降低系统集成成本;其四,在应用选择上优先聚焦对速度要求相对宽松、但对能耗和并行处理能力更敏感的场景,如边缘端模式识别、低功耗传感与自适应计算等。 五是前景:真菌计算或成类脑硬件的补充路径,短期重在验证,长期看重生态价值。总体来看,该研究不在于“马上替代硅芯片”,而在于提供了一条将生物材料引入信息器件的新思路:利用菌丝网络天然的结构优势与可塑性,实现类似突触的可调电阻与记忆效应。未来若能在一致性、可靠性与可规模制造上取得突破,真菌类材料有望与其它新型器件共同构成多元化的类脑硬件技术谱系,并在特定应用领域形成差异化竞争力。另外,围绕生物材料的安全规范、环境适应性与全生命周期评估也需同步推进,确保技术发展与可持续目标相一致。
香菇菌丝的计算潜能揭示了跨学科研究的价值;生物学、材料学与计算机科学的结合,为应对能源和环境挑战提供了新思路。这项研究提醒我们,解决方案可能隐藏在最普通的自然材料中。随着更探索,真菌计算或将成为绿色高效计算生态的重要组成部分。