Грибные компьютеры: что это такое и зачем они нужны?
Фото: Irina Petrova AdamatzkyСотрудники учреждения считают, что компьютеры следующего поколения будут работать на базе химических и органических систем, которые войдут в симбиоз с традиционным железом. Интеграция органики может открыть новые способы обработки информации: ученые активно изучают возможности, например, биологических алгоритмов, экспериментальных микробных сенсоров и других концептов. Но Лаборатория нестандартной информатики пытается выяснить, способны ли грибные структуры производить вычислительные операции. Мицелий, корневая часть гриба, способен принимать и отправлять электрические сигналы, а также сохранять память. Биологи уже выяснили, что грибы поддерживают своеобразное «подключение» к организмам в их окружающей среде при помощи мицелия. Расшифровка языка коммуникации, на котором грибы отправляют сигналы через биологическую сеть, поможет ученым не только глубже изучить подземные экосистемы, но и использовать их опыт в совершенствовании человеческих коммуникаций. Для этого сотрудники лаборатории проверяют возможности грибов. Они разводят колонии в пластиковых контейнерах, устланных пенькой или опилками, после чего подключают к ним электроды, фиксирующие электрическую активность мицелия. Он реагирует на внешние раздражители так же, как и нейроны в человеческом мозге, что позволяет ученым зафиксировать реакцию (или ее отсутствие) как ноль или единицу в бинарной системе. Отличие «грибных» компьютеров от традиционных заключается в том, что последние расценивают все проблемы как бинарные, но эта парадигма не способна полностью вместить в себя все возможные вычислительные операции. Именно по этой причине инженеры работают над квантовыми компьютерами и органическими чипами: они лучше подходят для симуляции специфических ситуаций. Прежде чем начать работу над мицелием, глава лаборатории, профессор Эндрю Адамацкий, на протяжении 10 лет изучал вычислительные способности слизистой плесени. Несмотря на свою примитивность, этот вид организмов обладает своеобразным «интеллектом»: например, сгусток слизи может самостоятельно найти выход из лабиринта. Помимо этого, поведение слизистой плесени можно контролировать при помощи внешних раздражителей, что позволяет симулировать логические врата — главный элемент любой микросхемы. Но грибы обладают большим потенциалом. Конечно, производительность грибного компьютера никогда не достигнет планки современных машин, однако подобные системы более толерантны к неполадкам, легко поддаются реконфигурации и потребляют очень мало энергии. Сейчас сотрудники экспериментируют над вешенками, грибами-призраками, трутовиками, опятами, щелелистниками и кордицепсом.
Эндрю Адамацки (Andrew Adamatzky) из лаборатории неконвенциональных вычислений (Unconventional Computing Lab) Университета Западной Англии (University of the West of England) уже давно работает над альтернативными подходами к вычислительной технике. В 2014-м году он вместе с командой лаборатории закончил работу над слизевым компьютером, но пришёл к выводу, что слизевики слишком нестабильны, и на них сложно достичь постоянства вычислений. Поэтому исследователи перешли к более устойчивым по форме материалам — теперь они сделали примитивный компьютер из грибов. Для экспериментов они взяли обыкновенные вёшенки (Pleurotus ostreatus), так как их легко найти в коммерческом доступе, и описали электрические свойства их грибниц (мицелия). У каждого гриба между кончиком его ножки и шляпкой существует определённое электрическое напряжение, которое можно измерить, вставив в гриб электроды. Это напряжение умеренно постоянно, с непериодическими эндогенными (порождаемыми самой грибницей) колебаниями. Учёные наблюдали напряжение на грибнице из четырёх грибов. Самые большие колебания были в 0,8 мВ, время между колебаниями варьировало в пределах 20—48 минут.
Далее исследователи посмотрели, как будет отвечать грибница на стимуляцию отдельных грибов. Они воздействовали на грибы определённым образом, например огнём, солью, этиловым спиртом и сахаром, в случае веществ, помещая их на шляпки грибов. На сахар грибы не реагировали, но на другие воздействия — очень даже! Но, что удивительно, через некоторое время изменяли своё напряжение и другие грибы в этой грибнице! Например, ответ незатронутого гриба на стимуляцию другого гриба огнём заключался в деполяризации в 0,02 мВ продолжительностью 6 секунд и соответствующей реполяризации через 9 секунд. Деполяризация начиналась в среднем через 3 секунды после начала воздействия. При этом на короткие стимулы (1—2 секунды) грибы не отвечали, воздействия должны были быть долгими. Амплитуда электрического ответа отличалась от гриба к грибу и, скорее всего, зависела не только от расстояния между наблюдаемым и стимулируемым грибом, но также и от положения электродов. В отличие от огня, на солевую стимуляцию «соседа» грибы реагировали более равномерно: через 12—15 секунд после нанесения соли электрический потенциал наблюдаемых грибов падал примерно на 0,2—0,8 мВ. Потенциал восстанавливался примерно через 30 секунд после окончания воздействия. Всё это говорит о том, что внутри мицелия существует механизм передачи данных! И если взять «возбуждённый» гриб — со всплеском колебаний — за единицу, а невозбуждённый — за ноль, то можно попробовать на грибнице реализовать некоторые операторы булевой алгебры. Что авторы не преминули и сделать, но в компьютерной симуляции. Они представили мицелий с четырьмя грибами в виде графа, в котором вершинами, помимо собственно грибов, являются ещё и пересечения мицелия. Всего узлов в симуляции было 2×104, и они тем плотнее располагались, чем ближе были к фронту грибницы. И учёным удалось реализовать логическое «не» на этих четырёх грибах, подавая им на вход стимуляцию или её отсутствие, и затем, через некоторый период времени, измеряя на этих же грибах напряжение. В итоге грибные энтузиасты пришли к выводу, что характеристики вычислений будут сильно зависеть от геометрии мицелия. Не удивительно, если мицелий — это граф, то от его структуры будут зависеть значения на разных его узлах.
На изображении на примере лишайника можно увидеть, как распространяется грибница. Фронт грибницы — это где она граничит с ещё не занятой территорией, она там более насыщенного жёлтого цвета. Правда, лишайники — это не совсем грибы, а симбиоз грибов и водорослей, но занимают территорию они подобно грибницам.Да, но зачем?
Так как грибы никогда не смогут соревноваться по производительности с полупроводниковыми компьютерами (время, за которое сигнал распространяется по мицелию измеряется секундами, а то и минутами), то зачем тогда такие эксперименты? Адамацки утверждает, что с помощью грибных компьютеров можно будет, например, собирать информацию о состоянии леса. Но это больше похоже на то, что ему нужно было как-то заполнить раздел «практическая значимость исследования» и он ничего лучше не придумал. Между тем, финансирует этот проект Horizon 2020 — программа Евросоюза по развитию научных исследований и технологий. Адамацки ещё в 2018-м году закончил работу над этим исследованием, с тех пор у них успела открыться и закрыться вакансия в лаборатории, нужен был сотрудник в новый проект по разработке основных грибных вычислительных элементов на зарплату 30—33 тысячи фунтов в год. Однако хайп в сети вокруг этой статьи развернулся только в последние недели 2019-го года. В частности, среди комментариев на Reddit и других сайтах встречаются такие:
«Чёткие ребята! Оказывается, в углу моей комнаты растёт компьютер».
«В противоположность чистоте, которая была нужна для построения компьютеров прошлого, новая кузница CPU — в холодном и влажном погребе».
«А автор вынес благодарность вёшенкам за сотрудничество?»
Фото: Эндрю Адамацки