De geboorte van de slijmcomputer

Bij computers denken we aan strakke elektronica, stofvrije fabrieken, metaal en silicium. Dankzij nieuw onderzoek mogen we binnenkort misschien ook slijm en schimmel aan dat lijstje toevoegen.

Wetenschappelijk onderzoek staat niet stil, en op de meest verrassende fronten wordt er vooruitgang geboekt. Aan de universiteit van Oxford werken onderzoekers hard aan een computer die de definitie van het woord zal veranderen. Daartoe maken ze gebruik van Physarum polycephalum. Dat is geen nieuw high-tech nanomateriaal en al evenmin een snelle laser, maar een doodgewone schimmel. Een slijmige schimmel, om precies te zijn.

Netwerk

De schimmel heeft de neiging om in een soort netwerk te groeien op zoek naar voedsel. De vorm van zo’n netwerk kan gestuurd worden met de juiste prikkels, ontdekten onderzoeker Andrew Adamatsky en collega Theresa Schubert. Physarum houdt van voedingsbronnen zoals havervlokken, terwijl het een gezonde afkeer heeft voor zoutkristallen, en ook licht en magnetische golven hebben een impact op de groei.

Doorheen het netwerk loopt er een constante stroom van een cytoplasmische vloeistof (een vloeistof die uit cellulair materiaal bestaat). Door de groei van de schimmel op de juiste manier te stimuleren ontstaan er heel specifieke trajecten, met reservewegen. De vloeistof loopt altijd door de hoofdwegen en zal alleen een reserveweg nemen wanneer een hoofdpad werd aangeraakt.

XOR

Gewapend met die kennis konden de onderzoekers logische poorten bouwen, gebruikmakend van de vorm van het netwerk van de schimmel. Zulke poorten vormen de basis voor eenvoudige berekeningen. Ze bouwden een XOR- en een NOR-poort. Bij een XOR-poort zijn er twee invoervariabelen, en één uitvoerparameter.

Elektronisch werkt de poort als volgt: wanneer er input is aan de twee invoerpunten (1 en 1), dan is de output negatief (0). Wanneer één van de twee invoerpunten geen stroom krijgt (1 en 0, of 0 en 1), dan is de output positief (1). Wanneer de invoer over de hele lijn 0 is, dan zal ook de uitvoer 0 zijn.

Met slijm is het principe gelijkaardig. De illustratie verduidelijkt dit. De x- en y-lijnen stellen de hoofdbuisjes van het slijmnetwerk voor. De z-lijn is een reservebuis. Ongestoord loopt de cystoplasmische vloeistof door x en y. Elk beentje van de aftakking stelt een invoerpunt voor. Het z-reservebuisje is de uitvoer.

Stimulatie

Wanneer nu één van de aftakkingen van het hoofdtraject gestimuleerd wordt, dan reageert de gepanikeerde slijmschimmel door geen vloeistof meer door de buis te sturen gedurende enkele seconden (analogie met elektronica: 1 wordt 0). Het sap neemt dan de alternatieve, z-weg. Door de z-buis liep eerst geen vloeistof (0) maar nu wel (1). Dat geldt ongeacht welk been van de aftakking de stimulatie krijgt (0 en 1 in de input resulteert dus altijd in 1 bij de output). Worden beide benen gestimuleerd dan stroomt er geen sap meer door x en y (input 0 en 0), en dus ook niet door z (output 0). Een biologische XOR-poort dus.

Door de schimmel in uitgebreide netwerken te laten groeien kunnen de onderzoekers een gecompliceerd netwerk van logische poorten maken. Zelfs herprogrammeerbaar geheugen is een optie. Om het eindresultaat echt een computer te noemen is het nog wat vroeg, maar het onderzoek zet een grote stap in de goede richting.

Je laptop vervangen door een bord vol schimmel zit er dus nog niet meteen in, maar het onderzoek toont aan dat de grenzen van wat mogelijk is in de computerwetenschap nog lang niet bereikt zijn.  

Computers gemaakt uit slijm zijn (voorlopig) traag, relatief dom, groot en onhandig. Maar dat was Eniac ook. Anderzijds toonden de wetenschappers aan dat het mogelijk is om een biologische rekeneenheid te bouwen, en dat is eens iets anders dan meer RAM of een extra core.

(Foto schimmelpoort: Oxford, foto Eniac: Wikipedia)