Araştırmacılar, mantar ağlarının dijital bilgiyi işlemek ve depolamak için kullanılan bazı çok küçük metal tabanlı bileşenlere alternatif olabileceğini ortaya koyan yeni bir çalışma yayımladı.
PLOS ONE dergisinde yayımlanan araştırmada, Ohio State Üniversitesi liderliğindeki bilim insanları, yaygın olarak tüketilen yenilebilir mantarların organik memristör üretiminde kullanılıp kullanılamayacağını inceledi. Memristör, elektrik kesildikten sonra bile önceki elektriksel durumunu hatırlayabilen elektronik bir bileşendir. Bu özelliği sayesinde hem bilgi depolama hem de bilgi işleme için kullanılabilir. Memristörler, insan beynine benzer şekilde çalışacak geleceğin bilgi işlem sistemlerinin temel yapı taşlarından biri olarak görülüyor.
Çalışma, biyolojik malzemeler ile elektronik sistemleri bir araya getiren biyolektronik alanının bir parçası olarak yürütüldü. Araştırmacılar, shiitake ve kültür mantarlarının doğal elektriksel özelliklerinin bilgi işlem amacıyla uyarlanıp uyarlanamayacağını araştırdı. Bulgular, mantar tabanlı memristörlerin yarı iletken tabanlı cihazlara benzer şekilde tekrarlanabilir bellek davranışı sergilediğini gösterdi.
Bilim insanları, bu sistemlerin nöromorfik bilgi işlem alanına katkı sağlayabileceğine inanıyor. Nöromorfik bilgi işlem, insan beyninin bilgiyi işleme biçiminden ilham alıyor. Geleneksel bilgisayarlarda bellek ve işlem birimleri birbirinden ayrı çalışırken, nöromorfik sistemlerde bu iki işlev birbirine daha yakın konumlandırılıyor. Böylece çok sayıda hesaplama aynı anda gerçekleştirilebiliyor. Paralel işlem olarak adlandırılan bu yöntem, belirli görevlerde enerji tüketimini de azaltıyor.
Çalışmanın başyazarı ve Ohio State Üniversitesi Tıp Fakültesi Psikiyatri Bölümü araştırma bilim insanı John LaRocco, bu yaklaşımın geleceğin bilgi işlem sistemlerinin verimliliğini artırabileceğini söyledi.
LaRocco, “Gerçek sinirsel faaliyetleri taklit eden mikroçipler geliştirebildiğinizde, cihaz bekleme durumundayken ya da kullanılmadığında yüksek enerjiye ihtiyaç duymazsınız. Bu da hem hesaplama performansı hem de ekonomi açısından büyük bir avantaj sağlayabilir.” dedi.
Günümüzde nöromorfik teknolojiler ağırlıklı olarak yarı iletkenlere dayanıyor. Silikon gibi yarı iletken malzemelerin elektrik iletkenliği hassas biçimde kontrol edilerek dijital bilgi işleniyor. Bu çiplerin üretiminde ise çoğunlukla nadir toprak elementleri kullanılıyor. Gelişmiş elektroniklerde yaygın olarak tercih edilen bu metalik elementlerin çıkarılması ve saflaştırılması hem maliyetli hem de yüksek enerji gerektiren süreçlerden oluşuyor.
Bir diğer araştırma alanı ise kök hücrelerden yetiştirilen ve insan beyninin bazı özelliklerini taklit edebilen üç boyutlu beyin hücresi kümeleri olan sinir organoidlerine odaklanıyor. Ancak bu canlı dokuların yaşamlarını sürdürebilmesi için sıcaklık, oksijen, besin ve diğer çevresel koşulların hassas şekilde kontrol edildiği biyoreaktörlerde tutulması gerekiyor.
Araştırmacılara göre mantar tabanlı malzemeler çok daha basit ve sürdürülebilir bir alternatif sunabilir. Mantarlar biyolojik olarak parçalanabiliyor, enerji yoğun endüstriyel üretim süreçleri yerine yetiştirilebiliyor ve geleneksel elektronik cihazlarda kullanılan bazı ham maddelere olan ihtiyacı azaltabiliyor.
LaRocco, mantarların daha önce de elektronik uygulamalar için incelendiğini ancak bu çalışmanın mantar tabanlı memristif sistemlerin ne kadar ileri taşınabileceğini araştırdığını belirtti.
LaRocco, “Miselyumun bilgi işlem altyapısı olarak kullanılması daha önce daha az sezgisel sistemlerde incelenmişti. Bizim çalışmamız ise bu memristif sistemlerden birini sınırlarına kadar zorlamayı amaçlıyor.” ifadelerini kullandı.
Araştırma, mantarın görünen kısmının altında gelişen ince ipliksi mantar ağı olan miselyuma odaklandı. Miselyum, mantar ağı boyunca doğal olarak küçük elektriksel sinyaller taşıyor. Bu sinyaller, beyin ve sinir sistemi boyunca iletişimi sağlayan nöronların kısa süreli elektriksel atımlarına benzer özellikler gösteriyor.
Araştırmacılar bu doğal elektrik sinyallerinin bilgi işlem amacıyla kullanılıp kullanılamayacağını incelemek için shiitake ve kültür mantarları yetiştirdi. Mantarlar olgunlaştıktan sonra içlerindeki su uzaklaştırılarak kurutuldu. Böylece mantar dokusu korunurken elektriksel özelliklerinin daha uzun süre muhafaza edilmesi sağlandı. Daha sonra mantarlar, elektrik sinyallerinin malzemeye iletilmesini ve ölçülmesini sağlayan elektrotlar aracılığıyla elektronik devrelere bağlandı. Mantarların tepkisini incelemek amacıyla farklı voltaj ve frekanslarda elektrik uygulandı.
LaRocco, “Elektrik kablolarını ve probları mantarın farklı noktalarına bağladık çünkü her bölgenin elektriksel özellikleri farklıydı. Uygulanan voltaj ve bağlantı şekline bağlı olarak farklı performanslar elde ettik.” dedi.
Araştırmacılar, iki ay süren testlerde mantar tabanlı memristörleri, yazılımlar çalışırken verileri geçici olarak depolayan rastgele erişimli bellek (RAM) olarak değerlendirdi. Çalışmaya göre cihazlar 5,85 kHz’e kadar frekanslarda elektriksel durum değiştirebildi. Başka bir ifadeyle saniyede yaklaşık 5 bin 850 kez durum değiştirdiler. Testlerde yüzde 90 ±1 doğruluk oranına ulaşıldı. Bu da cihazların deneylerin büyük bölümünde doğru çalıştığını ve sonuçlar arasında çok küçük farklılıklar bulunduğunu gösterdi.
Elektriksel frekans yükseldikçe performans düştü. Ancak araştırmacılar devreye daha fazla mantar eklenmesinin performansı artırdığını gözlemledi. Bu durumun, beyindeki nöron gruplarının birlikte çalışmasına benzediği belirtildi.
Çalışmanın ortak yazarı ve Ohio State Üniversitesi Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Bölümü öğretim üyesi Qudsia Tahmina, elde edilen sonuçların mantarların programlanabileceğini ve normalde biyolojik malzemelerle ilişkilendirilmeyen görevleri yerine getirebileceğini gösterdiğini söyledi.
Tahmina, “Toplum çevremizi koruma ve gelecek nesiller için sürdürülebilirliği sağlama ihtiyacının giderek daha fazla farkına varıyor. Bu da bu tür çevre dostu fikirlerin ortaya çıkmasını sağlayan önemli etkenlerden biri olabilir.” dedi.
Araştırmacılar, mantar malzemelerinin esnek yapısının gelecekte farklı uygulamalara uyarlanabileceğini belirtti. Daha büyük mantar ağlarının, verilerin uzak veri merkezleri yerine toplandıkları noktaya yakın yerlerde işlendiği uç bilgi işlem sistemlerinde kullanılabileceği ifade edildi. Böylece gecikmeler azalabilir ve ağ trafiği hafifleyebilir. Daha küçük mantar sistemleri ise gelecekte otonom sistemlerde ve giyilebilir teknolojilerde kullanılabilir.
Çalışma ayrıca shiitake mantarının geleneksel bilgi işlemin ötesinde de önemli bir özelliğe sahip olabileceğini ortaya koyuyor. Daha önceki araştırmalar, shiitake mantarının radyasyona karşı dayanıklı olduğunu göstermişti. Bu özellik sayesinde birçok elektronik sistemi bozabilecek iyonlaştırıcı radyasyona maruz kaldığında bile işlevini sürdürebiliyor. Uzay araçlarının sürekli radyasyon altında çalıştığı düşünüldüğünde, araştırmacılar mantar tabanlı bilgi işlem malzemelerinin gelecekte uzay ve havacılık uygulamalarında da kullanılabileceğini değerlendiriyor. Ancak mevcut çalışma bu sistemleri uzay koşullarında doğrudan test etmedi.
Araştırmacılar, tüm bu bulgulara rağmen mantar tabanlı bilgisayarların henüz gelişimin çok erken aşamasında olduğunu vurguluyor. Deneylerde kullanılan mantar tabanlı memristörler, günümüzde elektronik cihazlarda kullanılan bileşenlerden hâlâ çok daha büyük. Gelecekte yapılacak çalışmalar mantar yetiştirme yöntemlerinin geliştirilmesine, cihazların küçültülmesine, performanslarının artırılmasına ve mantarların elektriksel sinyallerinin daha hassas biçimde kontrol edilmesine odaklanacak.
Genel olarak bulgular, mantarların nöromorfik bilgi işlem için ölçeklenebilir ve çevre dostu bir platform hâline gelebileceğini gösteriyor. Araştırmacılar, miselyum ağlarının doğal elektriksel davranışını biyolektronik ile birleştirerek, biyolojik malzemeler ve diğer geleneksel olmayan sistemleri kullanarak bilgi işleyen yeni nesil alışılmışın dışındaki bilgi işlem teknolojileri geliştirmeyi hedefliyor.
LaRocco, mantar tabanlı bilgi işlem araştırmalarının hem küçük ölçekli deneylerle hem de büyük üretim tesislerinde yürütülebileceğini belirterek şunları söyledi:
“Mantarlar ve bilgi işlem üzerine çalışmaya başlamak için gereken her şey, küçük bir kompost yığını ve ev yapımı elektroniklerden ibaret de olabilir, önceden hazırlanmış üretim altyapısına sahip büyük bir kültürleme tesisinden de oluşabilir. Bugün elimizde bulunan kaynaklarla bunların hepsi uygulanabilir.”
İlk yorum yapan olun