Настоящая многоядерность

Мы привыкли называть «многоядерным» процессор, в котором имеется от двух до 64-х (пока) вычислительных ядер. Но представьте себе компьютер, использующий многие тысячи, даже десятки и сотни тысяч ядер. И этот компьютер не нуждается в электропитании. Зато, в случае голода, сам может закусить пользователем. Нет, не курил. Нет, не знаю, где такую траву берут. На самом деле я говорю о вполне реальных научных разработках – только очень уж необычных.

Необходимое предисловие

Когда в начале 90-х я учился на биофаке БГУ, то, как будущий биохимик, очень увлекся микологией. Действительно, биохимия грибов – штука очень увлекательная. Вот только я тогда увлекся т.н. высшими грибами, обойдя вниманием грибы низшие. Как теперь выясняется, очень зря.

Именно к низшим грибам относятся слизевики (или миксомицеты), которые представляют собой промежуточную форму между одноклеточными и многоклеточными организмами. На определенной стадии развития они существуют в форме плазмодия – единой «суперклетки» со множеством отдельных клеточных ядер под единой мембраной. Миксомицеты способны целенаправленно передвигаться по градиенту концентрации питательных веществ. Во время движения они оставляют за собой на субстрате слизевой след.

В последние годы именно слизевики стали объектом пристального внимания ученых, занимающихся изысканиями на стыке информатики и биологии. В качестве основы для создания биокомпьютеров будущего используется одноклеточный слизевик Physarum polycephalum. Что только с ним не делают ученые – заставляют находить выход из искусственных лабиринтов, управлять роботами и решать задачи оптимизации транспортной сети.

Вполне вероятно, что слизевики могут стать основой необычных компьютеров будущего. Впрочем, исследования в этой сфере, по сути, еще только начинаются. Ниже я приведу обзор наиболее интересных экспериментов со слизевиками, которые проводили ученые в разных странах мира.

Роботы, обучение и мемристоры

Еще в 2006 году британские ученые совместно с японскими сконструировали первого робота, которым управляла слизистая плесень Physarum polycephalum. Плесневые грибы чувствительны к свету, и под их влиянием шестиногий робот выбирает наименее освещенные места.

Чувствительный орган плесени – наполненная цитоплазмой система микротрубок. С ее же помощью организм корректирует свои движения. Попытки плесени двигаться контролирует набор электронных сенсоров, передающий сигналы роботу. В свою очередь, падающий на робота свет определяет освещенность специального резервуара, куда помещена плесень. По словам создателей необычного устройства, плесень можно было бы даже объединить с роботом в единый блок. Такой «киборг» мог бы иметь и заметно меньшие размеры, утверждают ученые.

Обосновывая использование слизевика в качестве «мозга» робота, один из ученых сказал: «Компьютеры, изготовленные людьми, хорошо справляются с теми задачами, для решения которых были изготовлены, однако не готовы к работе в сложно устроенной среде».

В 2009 году ученые из Великобритании вернулись к работе над проектом создания робота из плесени. Основой для машины послужил все тот же слизевик Physarum polycephalum. До этого исследования P. polycephalum позволили обнаружить у слизевика память, способность учиться и решать простейшие задачи, например, находить кратчайший путь между двумя точками лабиринта. Авторы нового проекта сочли, что этих качеств достаточно для создания робота.

По задумке авторов, плазмобот – так была названа будущая машина – должен быть способен определять находящиеся перед ним объекты, находить кратчайшую дорогу от одного до другого, а также переносить небольшие предметы по заданному маршруту. Контролировать движения робота ученые собираются при помощи параметров поверхности, на которой он находится, света (слизевики стремятся избегать его) и электромагнитного поля. Впрочем, эксперимент еще не завершен, так что говорить о результатах пока не приходится.

Кстати, то, что простейшие организмы обладают памятью и способны учиться, доказали в начале 2008 года японские ученые. И тоже на примере одноклеточного слизевика Physarum polycephalum.

При комнатной температуре этот слизевик движется (в сторону пищи или уходя от света) с постоянной скоростью около одного сантиметра в час. Скорость, однако, зависит также от влажности воздуха. В неблагоприятных условиях – при более сухом воздухе – слизевик замедляет движение. Японская группа использовала в своем исследовании именно этот раздражитель. Слизевика подвергали трем коротким воздействиям сухого воздуха с интервалом в час. Еще через час слизевик замедлял движение еще до воздействия, ожидая его. То же предвосхищающее замедление наблюдалось и при любом другом постоянном интервале между воздействиями.

Если в какой-то раз воздействие не повторялось, слизевик начинал забывать его. Иногда он замедлялся после одного пропущенного воздействия, иногда даже после двух, затем прекращал. Тем не менее, достаточно было один раз повторить воздействие (даже после шестичасового пропуска), чтобы слизевик снова начал замедляться через каждый час.

Ученые объясняют свои наблюдения следующим образом: как и многие другие живые существа, слизевики имеют встроенные «часы»: биохимические осцилляторы, которые замеряют время для организма и, как показывает исследование японской группы, видимо, способны с большой точностью «запоминать» навязываемый окружающей средой ритм. Соответственно, «память» слизевика никак не связана с работой системы нейроной, как это происходит у животных.

Уже в 2014 году в журнале Materials Today появилось описание сделанных из слизевиков «органических компьютеров», или «лабораторий-на-чипе». Ученые из Великобритании и Германии использовали хемотаксис Physarum для того, чтобы создавать из тела слизевика сети заданной топологии, способные проводить логические операции. Как пишут авторы исследования, эти сети очень похожи на капиллярные «лаборатории-на-чипе», набирающие популярность у медицинских инженеров. Например, толщина ветвей плазмодия (около 100 микрон в главных ветвях и 40 микрон в дополнительных) находится в том же диапазоне, что и капилляры искуственных лабораторий на чипе.

Слизевиков Physarum polycephalum выращивали в стандартных микробиологических чашках Петри на среде с овсяными хлопьями. Распределяя по чашкам питательную среду и соль, ученым удалось вырастить из плазмодия логические элементы XOR (исключающее ИЛИ) и NOR («ни X ни Y»). Сети капилляров, созданные в ходе работы, потенциально могут быть использованы для того, чтобы проводить вычисления и программировать «лабораторию-на-чипе».

Примерно за полгода до описанного эксперимента британские ученые выяснили, что одноклеточные слизевики Physarum polycephalum обладают свойствами мемристоров, то есть меняют свое электрическое сопротивление в ответ на пропускание через них тока. В ходе исследования слизевиков выращивали в специальных стеклянных трубках на субстрате из овсяных хлопьев. Когда отросток организма образовывал соединение между двумя площадками-контактами, ученые проводили на нем электрические тесты – пропускали через него ток различной силы и записывали возникающее сопротивление.

Как показали полученные в ходе опытов диаграммы силы тока-сопротивления, отростки слизевика обладают выраженными мемристорными свойствами, которые сильнее всего проявляются при слабом токе и совсем исчезают после гибели организма.

Мемристорные свойства живого организма не являются уникальной особенностью слизевиков. Их наличие объясняется активным транспортом электролитов в цитозоле и было ранее найдено, например, у амеб. Тем не менее, слизевики в этом отношении для ученых представляют наибольший интерес, так как именно они, как мы видим, чаще всего используются для создания «биокомпьютеров» – устройств, способных, например, решать задачу лабиринта или управлять роботами. То, что слизевики обладают еще и свойствами мемристоров, ученые могут использовать для создания гибридных вычислительных устройств, сочетающих биологическую и электрическую компоненты.

Ну и, наконец, про один менее серьезный опыт. В 2012 году все те же британские исследователи записали электрическую активность слизевика и превратили ее в музыку, отражающую рост его плазмодия. Электрическую активность слизевика Physarum polycephalum исследователи снимали при помощи восьми рабочих и одного базового электродов. На их окончаниях находились капли застывшего агара, на который сверху помещали овсяные хлопья – любимое лакомство слизевика.

Привлекаемый градиентом питательных веществ, Physarum рос от одного электрода к другому, генерируя в точках контакта электрическую активность, которую записывали авторы эксперимента. Полученные данные ученые превратили в звуковую запись. В ней активности разных электродов были сопоставлены звуки разной частоты. Это, по словам исследователей, позволило «представить пространственно-временное поведение слизевика в удобной для человека форме».

Виктор ДЕМИДОВ

http://www.kv.by/print/content/330605-nastoyashchaya-mnogoyadernost