Nấm hương trở thành 'bộ não sinh học': Bước tiến mới trong công nghệ chip thân thiện môi trường

Từ lâu, nấm hương vốn quen thuộc trên bàn ăn hơn là trong phòng thí nghiệm. Thế nhưng, các nhà khoa học tại Đại học Bang Ohio (Mỹ) đã biến loại nấm này thành một dạng bộ xử lý sống, có khả năng lưu trữ và truy xuất dữ liệu tương tự chip bán dẫn nhưng gần như không gây tác động tiêu cực đến môi trường.

Nhóm nghiên cứu chứng minh nấm hương có thể được huấn luyện để hoạt động như memristor – linh kiện vi mô có khả năng xử lý và ghi nhớ dữ liệu, vốn được xem là nền tảng của công nghệ điện toán thần kinh. Các thiết bị làm từ sợi nấm thể hiện hiệu ứng bộ nhớ tái tạo, tương tự chip silicon, mở ra triển vọng cho thế hệ linh kiện sinh học thân thiện môi trường và giá thành thấp.

“Việc mô phỏng hoạt động thần kinh thực tế trong các vi mạch hữu cơ có thể giúp giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở chế độ chờ,” nhà nghiên cứu John LaRocco cho biết. Đây là lợi thế lớn cả về hiệu suất tính toán lẫn chi phí năng lượng.

Memristor nấm có thể là giao diện lý tưởng cho điện tử sinh học tần số cao.

Memristor hay “điện trở nhớ” là linh kiện có khả năng thay đổi điện trở tùy theo lượng dòng điện từng đi qua, tức là ghi nhớ quá khứ điện học của chính nó. Trong khi các memristor truyền thống được chế tạo từ oxit kim loại hoặc silicon, đòi hỏi nhiệt độ cao và nguồn năng lượng lớn thì mạng sợi nấm (mycelium) có thể phát triển ở nhiệt độ phòng, dễ dàng phân hủy sinh học khi hết vòng đời sử dụng.

Để chứng minh tiềm năng này, các nhà khoa học đã nuôi cấy nấm hương và nấm nút trên môi trường hữu cơ cho đến khi hình thành lớp sợi nấm dày đặc. Sau đó, lớp màng được khử nước, kết nối với mạch điện tử và áp điện áp dao động từ 10–5.850 Hz.

Kết quả cho thấy, các mạch sinh học này hoạt động tương tự memristor hữu cơ, với độ chính xác lưu trữ đạt 90–95% ở tần số thấp. Dù hiệu suất giảm ở tần số cao, nhóm nghiên cứu cho rằng điều này có thể khắc phục bằng cách kết nối nhiều mẫu nấm hơn trong cùng mạch.

Điều đặc biệt là mạng sợi nấm không chỉ truyền dòng điện mà còn phản ứng và tự điều chỉnh trước các kích thích, tương tự mạng tế bào thần kinh trong não người. Không giống vật liệu silicon, hệ thống hữu cơ này linh hoạt, có thể mở rộng và tự phục hồi, đồng thời giảm thiểu tối đa chất thải công nghiệp.

Theo Phó giáo sư Qudsia Tahmina, đồng tác giả nghiên cứu: “Xã hội đang nhận thức rõ hơn về tầm quan trọng của việc bảo vệ môi trường và đó chính là động lực thúc đẩy các giải pháp sinh học bền vững như thế này".

Dù còn trong giai đoạn thử nghiệm, nhóm nghiên cứu đặt mục tiêu tinh chỉnh quy trình nuôi cấy để thu nhỏ thiết bị, hướng tới ứng dụng thực tế trong lĩnh vực lưu trữ dữ liệu, pin sinh học và sản xuất điện năng.

Nhà nghiên cứu LaRocco kết luận: “Từ một đống phân trộn đến phòng thí nghiệm hiện đại, mọi thứ cần thiết cho cuộc cách mạng điện toán sinh học đều đang ở ngay trước mắt chúng ta".

Tiểu My