Wetenschappers onderzoeken of schimmelnetwerken een rol kunnen hebben in een duurzamer alternatief voor de elektronica gemaakt van halfgeleiders.

Het klinkt als een onwaarschijnlijke combinatie: schimmels aan het werk zetten om te fungeren als elektronische component. Toch is dat wat wetenschappers van Ohio State University in de Verenigde Staten hebben gedaan. Ze testten hoe myceliumnetwerken van champignons en shiitake werken in bepaalde elektronische schakelingen. De resultaten van hun proeven staan beschreven in een recent artikel (open access) in het online wetenschappelijke tijdschrift PLOS ONE.

Neuronen

Om te beginnen moeten we hierbij het idee loslaten dat schimmels een directe vervanging kunnen zijn voor de digitale elektronica die in alle apparaten om ons heen zit. Wel staan schimmels en paddenstoelen in de belangstelling van wetenschappers en ingenieurs omdat ze gedrag vertonen dat te vergelijken is met de neuronen in ons brein. ‘Dat schimmels neuronachtige activiteit vertonen, is al zo’n vijftig jaar bekend’, mailt onderzoeker en elektrotechnisch ingenieur John LaRocco van Ohio State University, tevens eerste auteur van het PLOS ONE-artikel, op vragen van De Ingenieur. ‘En neuronen werken als een analoge computer. In ons brein zijn ontelbaar veel neuronen parallel aan het werk terwijl ze zijn verbonden in een enorm netwerk. En de hersencellen hebben nog iets gemeen met schimmels: allebei werken ze doordat elektrische verbindingen tijdelijk heel eventjes sterker of zwakker worden. We gebruiken hiervoor de term “neuromorf”.’

Hersencellen gebruiken nauwelijks energie

Groot voordeel van deze neuromorfe aanpak, waarbij de werking van het brein wordt geïmiteerd, is dat dit energiezuinig is. Vaak zijn grote delen van het brein niet actief en de hersencellen gebruiken op dat moment nauwelijks of geen energie. ‘Deze eigenschap zou, wanneer we het kunnen nabouwen in chips, enorme potentie kunnen hebben, zowel qua rekenkracht als qua kostenbesparing’, zegt LaRocco in een nieuwsbericht van zijn universiteit.

Mycelium van shiitake in een experimentele schakeling.

Inactief gemaakt

Het team van LaRocco kweekte schimmelnetwerken (mycelium) van zowel shiitake als van champignons op om ze te testen als bio-elektronische component. Toen ze eenmaal waren volgroeid, werd het mycelium gedroogd en inactief gemaakt om ze voor langere tijd te kunnen bewaren. Voor een typisch experiment werd vervolgens gedroogde schimmel verbonden met gewone – gemaakt van halfgeleiders – componenten in een elektronisch circuit. ‘We maakten de stroomdraden vast op verschillende plekken in het mycelium omdat die op verschillende locaties afwijkende elektrische eigenschappen heeft’, zegt LaRocco. ‘Afhankelijk van de spanning en de geleidbaarheid zagen we verschillende prestaties.’

Geen restafval

Wetenschappers hebben hun oog ook laten vallen op schimmels voor gebruik in duurzame elektronische toepassingen, omdat ze na gebruik geen restafval opleveren. Schimmels zullen uiteindelijk vergaan, terwijl conventionele elektronica bijdragen aan de berg e-waste. De uitdaging is daarbij wel om te zorgen dat de schimmels niet tĂ© snel vergaan, geeft La Rocco toe. ‘Over hoe dat moet is al veel bekend. Het materiaal mycelium wordt al voor veel toepassingen gebruikt, van bouwmateriaal tot kunstleer. Veel van dat spul gaat decennia mee. Maar inderdaad moeten we nog verder onderzoeken  welke manier het beste werkt om de schimmels de juiste elektronische eigenschappen te laten behouden.’

Fouten

In een van de experimenten werd een schimmelnetwerk verbonden met een schakeling, die in zijn geheel als RAM (random acces memory) werkte, een vorm van computergeheugen. Daarbij ontdekten de onderzoekers dat het signaal om het RAM aan te sturen maximaal 5850 hertz mocht zijn en dat het geheugen werkte met een nauwkeurigheid van 90 procent. ‘Dat gaat over fouten in lezen en schrijven’, reageert LaRocco. ‘En ook het afwijken van de ideale eigenschappen van het materiaal. Dit cijfer willen we uiteraard zoveel mogelijk verder verhogen.’

Draagbare sensoren

Echt bruikbare toepassingen van schimmel-elektronica zullen nog wel een paar jaar op zich laten wachten, maar de onderzoekers weten al wel in welke richting we het moeten zoeken. ‘In de medische hoek kun je denken aan draagbare sensoren. Want schimmelsensoren zijn gevoeliger voor veranderingen in de stofwisseling dan veel conventionele materialen. Voor de industrie en landbouw zijn heel goedkope, energiezuinige sensoren te bedenken die omgevingscondities monitoren.’

 

Openingsbeeld: Geheugenschakeling gebouwd van mycelium. Foto’s: ‘Sustainable memristors from shiitake mycelium for high-frequency bioelectronics’, John LaRocco, Qudsia Tahmina, Ruben Petreaca, John Simonis, Justin Hill, PLOS ONE, 2025.