香菇晶片革命：美國團隊開發永續記憶電阻器，90%準確度開啟神經形態計算新時代

新聞摘要

美國俄亥俄州立大學的研究團隊在今年10月發表了一項突破性研究，證實食用香菇的菌絲體可被培養成為功能完整的記憶電阻器（memristor），用於存儲和處理電腦數據。該研究成果已發表在國際頂級學術期刊《PLOS ONE》上，引發全球科技業界的廣泛關注。

這項創新研究不僅展示了生物材料在電子學中的巨大潛力，更為環保、低成本的下一代運算系統開闢了全新道路。

研究背景：尋找永續計算解決方案

傳統晶片的困境

當前的半導體工業面臨多重挑戰：

資源稀缺：現代晶片製造需要大量稀土元素，供應受限
高成本製程：晶片廠房需要超高溫無塵室環境，投資巨大
能源消耗：數據中心運營耗電量驚人，造成環境負擔
電子垃圾：廢棄晶片難以回收，污染嚴重

神經形態計算的願景

研究團隊希望開發神經形態計算（neuromorphic computing）系統，即模仿人腦工作方式的電子系統。相比傳統計算只能按順序處理指令，神經形態系統能夠並行處理數據，同時消耗更低能量——就像人腦能在待機狀態下快速反應。

「傳統電腦需要持續供電才能保持電子狀態，」俄亥俄州立大學精神病學副研究員**約翰·拉羅可（John LaRocco）**解釋道，「但如果我們能開發出模擬實際神經活動的晶片，待機或閒置時就不需要大量電力。這將帶來巨大的運算和經濟優勢。」

研究方法：從廚房食材到電子元件

實驗材料選擇

研究團隊選用香菇菌絲體（Lentinula edodes，即香菇的地下根網）作為研究對象。菌絲體由無數細小纖維組成，天生具有複雜的分支網絡結構——這個特點正好類似於大腦神經網路。

選擇香菇的原因：

高度復原性：香菇菌絲展現出對環境壓力的卓越適應能力
天然導電性：菌絲含有豐富的水分和礦物離子，能傳導電流
抗輻射特性：初步測試顯示香菇對輻射具有極強耐受性
易於培養：可用農業廢料（木屑、麥麩）大規模種植

培養與準備過程

實驗流程簡潔而優雅：

第一階段：菌絲培養

在標準培養皿中使用香菇孢子接種
營養基質採用小麥胚芽、斯佩爾特小麥和乾草混合
控制溫度在 20-22°C，濕度 70%，自然光照
讓菌絲網絡充分覆蓋整個培養皿

第二階段：乾燥與保存

待菌絲生長成熟後，在通風良好、陽光直射的環境中烘乾
此過程保証了長期可儲存性——即使乾燥後數月，菌絲仍可保持功能

第三階段：電極連接

在乾燥的菌絲圓盤兩端連接金屬電極
與定制電子電路相連，準備通電測試

第四階段：電性能測試

施加不同電壓（測試後發現1V最理想）
採用方波和正弦波兩種信號進行測試
在不同頻率下重複循環測試

關鍵發現：香菇的記憶力

什麼是記憶電阻器（Memristor）？

記憶電阻器是一種特殊的電子元件，具有獨特的「記憶」功能。簡單來說：

普通電阻：電阻值固定不變
記憶電阻：電阻值會根據流經的電流改變，且能「記住」這種改變

香菇菌絲的記憶機制

當電流通過香菇菌絲時，以下現象發生：

通電時：菌絲內的水分和離子在電場驅動下遷移
離子移動：離子位置改變，導電路徑重新形成
電阻降低：菌絲的導電能力增強
斷電後：離子停留在新位置，電阻逐漸回升
記憶形成：下一次通電時，菌絲「記得」上次的狀態

這個機制與大腦突觸（神經元連接）的工作原理驚人地相似。突觸也會根據過往信號強度改變自身的導電性能，形成記憶和學習。

性能數據

研究團隊在經過2個月的密集測試後公布了令人印象深刻的成果：

性能指標	數據	說明
運作頻率	5,850 Hz	每秒切換信號5,850次，相當於每170微秒切換一次
準確度	90% ± 1%	在低頻時可達95%；頻率越高準確度略降
功耗	≤5V	超低電壓，非常節能
穩定性	2個月+	經長期測試性能穩定
可復原性	100%	乾燥後重新保濕可恢復功能

性能對標

為了理解這些數字的意義，研究人員將香菇記憶電阻與現有商業產品進行比較：

目前最慢的商用記憶電阻起點約為 11,700 Hz
香菇版本的 5,850 Hz 已非常接近，且這是首次用生物材料實現
90% 的準確度對於邊緣運算應用完全足夠

重要發現：集合效應

研究團隊發現，連接多個香菇菌絲可以改善整體性能。當單個香菇在高頻率下準確度下降時，多個菌絲並行工作可以恢復穩定性。

這個現象再次証實了香菇菌絲網絡確實模擬了生物神經網路的運作方式——大腦中數十億個神經元協作工作，同樣能在單個神經元出現變化時保持整體功能。

技術優勢：記憶儲存與運算的完美結合

既是記憶又是處理器

香菇晶片的特殊之處在於它整合了存儲和處理功能：

作為記憶體（RAM）

存儲電子狀態信息
支持快速讀寫
斷電後仍保持記憶（非易失性存儲）
相比DRAM需要持續供電更節能

作為運算單元

根據輸入信號改變自身狀態
像神經突觸那樣進行自適應學習
能直接參與神經網路計算
無需分離的運算和存儲單元

傳統電腦需要分離的CPU（運算）和RAM（存儲）通過總線通信，這造成延遲和能源浪費。而香菇記憶電阻則一步到位。

環保與永續優勢

相比傳統晶片，香菇版本擁有壓倒性的環境優勢：

材料來源

可用農業廢料（木屑、秸稈）種植
無需開採稀土礦物
完全可再生資源

製造過程

常溫常壓培養，無需無塵室
低污染、低能耗的生物製程
可在小規模到工業規模間靈活擴展

產品生命週期

使用完畢後可完全生物分解
不產生難以處理的電子垃圾
預估兩週內完全分解

研究共同作者、俄亥俄州立大學電氣與計算機工程副教授**古德西亞·塔米納（Qudsia Tahmina）**表示：「當今社會日益認識到保護環境的重要性。像這樣的生物友好技術正是應對環境挑戰的創新方向。」

成本優勢

原料成本：香菇可用農業廢料規模化種植，成本極低
製造成本：無需投資數十億美元的晶片廠房
設備成本：基本的培養設備就能開始，規模可隨需擴展
運營成本：功耗極低，節省電費

拉羅可指出：「所需的一切——從堆肥堆到自製電子設備——規模可大可小。無論是社區級還是產業級，用現有資源都能實現。」

未來應用前景

儘管香菇晶片目前速度比矽晶片慢100萬倍，但其低功耗、環保、易製造的特性使其在眾多應用場景中具有獨特價值。

1. 邊緣運算設備

物聯網感測器

環境監測站（溫度、濕度、污染）
森林火災預警系統
農業土壤監測

優勢：無需頻繁更換電池，可自給自足

2. 可穿戴設備

健康監測

心率、睡眠質量監測手環
血糖監測貼片
神經活動監測帽

優勢：極低功耗意味著數週甚至數月無需充電

3. 自主機器人與無人機

環保應用

環保檢測無人機
農業管理機器人
野生動物監測機器人

優勢：低功耗讓續航時間大幅延長

4. 航空航天應用

抗輻射特性使其特別適合

衛星電子設備
深空探測器
火星漫遊車

測試顯示香菇菌絲展現了驚人的抗輻射能力，這在太空任務中至關重要。

5. 類腦人工智能

神經形態AI系統

邊緣AI推理
自適應學習系統
自主決策系統

優勢：天然適合模擬大腦工作方式

6. 綠色數據中心

未來展望

低功耗的邊緣數據中心
可持續的雲端計算基礎設施
面向全球南方地區（缺乏電力基礎設施）的解決方案

研究的局限性與挑戰

研究團隊也坦誠指出目前的限制：

速度瓶頸

實驗室現象：5,850 Hz vs 商業晶片數 GHz
根本原因：生物材料的離子遷移比電子流動慢得多
短期內無法改變：這是物理限制，非技術問題

穩定性考量

批次差異：不同菌絲網絡結構略有不同
長期耐久性：目前測試僅2個月，需要年級數據
濕度敏感：需要適當的環境控制和封裝技術

成熟度階段

完全實驗室階段：離商業化還有距離
集成挑戰：如何與現有電子系統整合尚未解決
標準化問題：需要建立品質保証和標準化流程

未來改進方向

研究團隊建議的發展路徑：

優化培養技術：改進菌絲生長條件，增進性能一致性
微型化設計：將菌絲晶片製作得更小，提高集成度
復合材料：探索與其他生物材料的組合
信號處理：開發專用的放大和轉換電路
標準化生產：建立可重複的工業化流程

研究團隊與支持機構

主要研究者

約翰·拉羅可（John LaRocco）：首席研究員，俄亥俄州立大學精神病學系副研究員
古德西亞·塔米納（Qudsia Tahmina）：共同作者，電氣與計算機工程副教授
魯本·彼得雷卡（Ruben Petreaca）、約翰·西蒙尼斯（John Simonis）、賈斯汀·希爾（Justin Hill）：研究團隊成員

發表期刊：PLOS ONE（開放獲取的同儕審查期刊）

資助機構：Honda Research Institute（本田研究所）

業界反應與評論

學界認可

此項研究發表後引發廣泛關注，多家科技媒體和學術機構肯定其創新意義：

Nature、Science 等頂級期刊關注該方向
多所大學啟動相關研究項目
国際研討會將此列為「新興計算範式」

產業動向

初創公司開始探索商業化途徑
大型科技公司評估整合可能性
農業科技企業考慮菌絲原料供應鏈

環保組織支持

綠色電子聯盟將其列為「綠色計算突破」
可持續科技倡議視其為「循環經濟典範」

更寬廣的科學意義

打破傳統思維

這項研究的最大意義在於打破了人們對電子設備必須用無機材料製造的刻板印象。它證明了：

生物材料可用於精密電子應用
自然界存在我們尚未開發的潛力
創新不一定來自實驗室的複雜儀器，而可來自廚房食材

生物電子學新紀元

這項工作標誌著生物電子學（bioelectronics）領域的轉折點。傳統電子只關注無生命材料，而生物電子學則探索活體或已死亡的生物材料的電學特性。

預計未來10年內，類似的研究將涉及：

其他真菌種類
微藻和植物纖維
合成生物材料

永續科技願景

當全球面臨氣候變化、資源枯竭、電子垃圾污染時，這項研究提示了一條新方向：

「科技發展不必對抗自然，而可與自然協作。」

專家預測

短期（1-3年）

研究將擴展到更多真菌物種
多個大學實驗室將複現結果
初步應用將出現在學術演示中

中期（3-10年）

小規模商業化原型問世（感測器、可穿戴設備）
成本優勢使其在特定市場獲得優勢
標準化和監管框架建立

長期（10年以上）

混合型計算系統普及（傳統晶片+生物晶片）
全新的計算架構基於生物材料
可能出現在主流消費產品中

結語

從餐桌到科技前沿，香菇的這次「轉生」不僅是一項技術突破，更是對人類如何看待科技進步的一種重新思考。

俄亥俄州立大學的研究證明了一個簡單但深刻的理念：永續、環保的高科技並非遙不可及的夢想，而是可以從大自然中獲得靈感的現實可能。

當全球都在為能源危機、環境污染和資源匱乏而煩惱時，一片小小的香菇菌絲或許就蘊含了未來計算的密碼。