香菇也能當電腦-菌絲網路可以作為memristor !?

前言：

「香菇」，一個我們再熟悉不過的「食材」，甚至會有人誤以為它是植物（它其實是真菌~）。如果今天有人跟你說：「誒誒，香菇它不只是你食物，它會記憶喔！他記得你對它的電刺激。」今年（2025年）十月 PLOS One 刊登的一篇論文《Sustainable memristors from shiitake mycelium for high-frequency bioelectronics》講述記憶從來就不是人腦的專利，而香菇的菌絲網絡這個極不典型的載體，它相較於矽晶圓這種使用稀土與氧化物或搭配半導體製程的傳統電阻式記憶體（memristor） ，是如何具備「歷史依賴性」？如何有潛力從 memristor 到發展至類神經硬體？就是這篇研究最令人好奇與興奮之處。

圖一：香菇作為 memristor 的情境(使用Gemini nanobanana 生成)

研究動機：

讀完前言你可能會想：「為什麼我們會需要香菇網路？科學家是腦洞大開吃太多香菇太閒嗎？」，其實完全不是。這要追溯到神經形態硬體（neuromorphic hardware），其發展仰賴能夠模擬突觸行為的憶阻性元件（memristive devices），它在高能源效率計算與人工智慧領域中具有潛在的應用價值。近期研究開始探索天然且可生物分解的基材，作為傳統無機憶阻器之永續替代方案 ，而香菇就成了研究者的候選人。然而，現實卻相當殘酷，目前高性能 memristor 往往依賴稀有金屬、昂貴製程與精密無塵室，而另一條「香菇活體路線」或是神經類器官，往往需要高度受控的培養環境，難以規模化。於是在計算神經科學常陷入一個困境，理論上渴望更接近生物，但工程上卻被成本與穩定性所牽制，在這個良率至上的年代，如何讓仿生工程成為一個選擇？是否存在一種同時具備生物相容性、可塑性與工程可行性的材料？在此香菇菌絲的選擇，並非噱頭，而是一個對「永續神經硬體」的嚴肅提問。

研究方法：

在本研究中，我們探討可食用真菌 Lentinula edodes（香菇）作為憶阻器製作平台的可行性。透過檢視香菇衍生材料在重複電壓循環刺激下的電性反應，我們進一步分析其穩定的憶阻切換行為、記憶保持能力（retention）以及耐久性（endurance）。以香菇為基礎的裝置不僅展現出可重現的記憶效應，同時也突顯其作為可擴展、低成本且環境友善之神經形態元件的潛力。研究團隊的作法相當務實，從培養香菇菌絲，使其形成連續網絡後乾燥保存，再透過電極施加交變電壓，量測其 I–V 關係，並真的做成 memory circuit 跑讀寫，如圖二。

圖二：Wired samples. The volatile memory circuit was implemented using fungal memristors.

這個實驗的關鍵不在於單一量測，而在於反覆刺激後，材料是否展現出「遲滯」，也就是輸出取決於過去輸入的特徵。結果顯示，這些菌絲樣本在特定頻率與電壓條件下，確實呈現典型 memristive 行為，甚至能在高達 5.85 kHz 的操作頻率下維持約九成準確率，如圖三。

圖三：香菇菌絲 memristor 在極高頻（5.85 kHz）下，仍能穩定進行「寫入 → 讀取」的揮發性記憶操作（volatile memory）。
● 藍色（Analog）：memristor 電壓分壓器的類比輸出
    ○ 反映菌絲 memristor 的「瞬時電阻狀態」
    ○ 物理層的真實反應（連續值）
● 紅色（Digital）：Arduino 施加的數位寫入訊號（write pulses）
    ○ 高／低脈衝對應「寫入 1 / 寫入 0」
    ○ 這是外部控制輸入
● 綠色虛線（RAM Read）：Arduino 根據類比電壓做 threshold 判斷後的讀取結果
    ○ 是否超過門檻 → 判定為 ON（1）或 OFF（0）
    ○ 這是系統層的記憶讀取結果

而更耐人尋味的是，這些特性在脫水保存後仍可被喚醒，彷彿某種被暫時封存的記憶狀態，同時也具有低功耗、輕量、抗輻射的能力。這讓菌絲不再只是被動材料，而成為可被訓練與重用的計算元件，也成為能源危機下的一個可行解方。

貢獻與啟發：

在計算神經科學領域中，它的價值不在於立即取代現有的晶片製程技術，但它提供了一個很有意義的見解，即：「高頻、可塑、可靠的計算非必須來自高度工業化的材料體系，也可以是日常可見的生物材料」。香菇菌絲 memristor 故然粗糙、尺寸偏大、變異性高，距離大規模應用尚有距離或是說遙不可及。但它提醒我們，生物系統本身就擅長以平行性與冗餘性對抗不完美。或許，未來的神經形態計算不會追求單一元件的極致精準，而是學習自然系統，如同 AI 框架回頭審視仿人腦運算的 SNNs，擁抱與研究這些可變性與永續性，絕非毫無意義。當我們回頭看第一個問題：「香菇真的會記得嗎？」答案也許會變為是「我們必須了解它記得的方式，才能重新定義什麼才算是計算。」

AI使用聲明：本文有透過 AI 翻譯與摘要，但內容與架構皆透過本人審視與編排

撰文：林祥吉

原始論文：LaRocco J, Tahmina Q, Petreaca R, Simonis J, Hill J (2025) Sustainable memristors from shiitake mycelium for high-frequency bioelectronics. PLOS ONE 20(10): e0328965. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0328965