Bioelektroniikka on jo pitkään tutkinut mahdollisuutta käyttää eläviä organismeja sähköisen aktiivisuuden tuottamiseen ja jossain määrin koneidemme virranlähteenä. Vaikka tämä saattaa ensi silmäyksellä tuntua jotain Matrix-elokuvasta, todellisuudessa orgaanisiin elementteihin perustuvissa memristoreissa piilee koko kiehtova maailma.
Tutkijat ovat havainneet, miten shiitake-sienen kaltaisten sienien sienirihmasto voi toimia memristorina – sähköisenä komponenttina, joka kykenee ”muistamaan” aiemmat tilat. Tämä löytö voi olla avain uuden sukupolven ympäristöystävällisten ja biohajoavien elektronisten laitteiden kehittämiseen.
Mikä on memristori ja miksi se on tärkeä? Memristori on elektroninen komponentti, joka yhdistää muistin ja vastuksen toiminnot ja kykenee ”muistamaan” aiemmat sähköiset tilat. Nykyään niitä valmistetaan käyttämällä materiaaleja, kuten titaanidioksidia kahden metallielektrodin välissä, mutta niiden valmistus vaatii harvinaisia mineraaleja ja kalliita, ympäristöä pilaavia teollisia prosesseja. Siksi on tärkeää etsiä ympäristöystävällisempiä vaihtoehtoja, joissa käytetään orgaanisia materiaaleja.
Kuinka sienirihmasto toimii muistina. John Larroccin tiimi Ohion osavaltion yliopistosta viljeli shiitake-sieniä petrimaljoissa, kunnes ne olivat täysin kehittyneet. Sitten he kuivasivat ne auringossa, jolloin niistä tuli kiinteitä kiekkomaisia rakenteita, jotka voidaan tarvittaessa kostuttaa.
Kiinnittämällä elektrodeja näihin näytteisiin ja syöttämällä niihin erilaisia jännitteitä, he havaitsivat, että sienirihmasto sisältää johtavia rakenteita, jotka muistuttavat tavallisia memristoreita. Larocco sanoi: ”Jos pystyisimme kehittämään sirun, joka jäljittelee todellista hermoston toimintaa, voisimme vähentää energiankulutusta merkittävästi, kun laitetta ei käytetä.”
Kokeen tulokset. Kahden kuukauden testien jälkeen shiitake-sienestä valmistettu memristori osoitti kykynsä muuttaa sähköistä tilaansa jopa 5850 kertaa sekunnissa lähes 90 prosentin tarkkuudella. Kun tietty sinimuotoinen signaali syötettiin, ilmestyi tyypillinen kahdeksankulmainen käyrä, joka on ominaista ihanteelliselle memristorille ja vahvistaa, että sienirihmasto todella ”muistaa” sähkövirran.
Vaikka tämä johti lopulta suorituskyvyn heikkenemiseen korkeilla taajuuksilla, useiden näytteiden yhdistäminen paransi vakautta, mitä tutkijat vertaavat aivojen hermoverkoston vaikutukseen.
Edut perinteisiin puolijohteisiin verrattuna. Näiden biologisten memristorien tärkein etu on niiden ympäristöystävällisyys . Sienet kasvavat orgaanisesta biomassasta, ovat biohajoavia ja vaikuttavat ympäristöön minimaalisesti. Lisäksi niiden viljely on edullista, ja tuotanto on helposti skaalattavissa pienistä laboratoriokokeista teolliseen tuotantoon. Sienet ovat myös erittäin säteilynkestäviä, mikä voi tehdä niistä erityisen arvokkaita käytettäväksi ilmailu- ja avaruusteollisuudessa.
Potentiaaliset sovellusalueet ja jäljellä olevat ongelmat. Näiden komponenttien joustavuus ja skaalautuvuus avaavat mahdollisuuksia monilla aloilla, äärimmäisistä laskelmista ja avaruuden tutkimuksesta autonomisiin järjestelmiin ja puettaviin laitteisiin. Merkittäviä ongelmia on kuitenkin edelleen. Kuten Wired kertoo, nykyiset mallit ovat liian suuria ja niitä on pienennettävä, jotta ne voivat kilpailla olemassa olevien mikrosirujen kanssa. Lisäksi sienirihmaston sähköiset ominaisuudet vaihtelevat mallien välillä, vaikka ne kasvatettaisiin samassa ympäristössä, mikä vaikeuttaa luotettavan teollisen tuotannon saavuttamista.
Seuraavat tutkimuksen vaiheet. Tiimi aikoo kehittää menetelmiä sienirihmaston viljelyyn ja sen muotoiluun 3D-tulostuksen avulla sekä menetelmiä sähköisten kontaktien luomiseen viljelyn aikana. He tutkivat myös optimaalista tapaa sen pitkäaikaiseen säilyttämiseen yhdistämällä menetelmiä, kuten lyofilisaatio ja erityiset pinnoitteet. ”Yhteiskunta on yhä enemmän tietoinen tarpeesta suojella ympäristöä ja säilyttää se tuleville sukupolville, ja tämä voi olla yksi uusien biokompatibelien ideoiden, kuten tämän, liikkeellepanevista tekijöistä”, sanoi tutkimuksen toinen kirjoittaja Kudsiya Tahmina.
Sienet eivät ole ainoa orgaaninen materiaali, jolla on ”memristoriominaisuuksia”. Tutkijat muista yliopistoista ovat kokeilleet hunajaa ja ihmisverta tutkiakseen niiden potentiaalia biohajoavina elektronisina komponentteina. Hunaja esimerkiksi voi muuttaa vastustaan vain 500 nanosekunnissa ja on täysin biohajoava. Verin osalta intialaiset tutkijat havaitsivat vuonna 2011, että se voi toimia memristorina, kun siihen syötetään erilaisia jännitteitä, säilyttäen vakaana vastuksensa vähintään 30 minuutin ajan.
