[论文解读] Physarum Chip: Developments in growing computers from slime mould

James G. H. Whiting, Ben de Lacy Costello+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2014

Slime Mold and Myxomycetes Research参考文献 3被引用 5

一句话总结

本文首次在Phychip项目中实现了基于多核变形虫（Physarum polycephalum）的生物传感器与生物逻辑门的实验性应用，展示了向混合电子-多核变形虫计算迈进的基础步骤。该研究利用活体黏菌实现了功能性计算，标志着非传统、生物启发式计算系统的重要进展。

ABSTRACT

The Phychip project is a collaborative European research initiative to design and implement computation using the organism Physarum polycephalum; it is funded by the Seventh Framework Programme (FP7) by the European Commission within CORDIS and the FET Proactive scheme. Included in this presentation are details the development of a Physarum based biosensor and biological logic gate, offering significant advancements in the respective fields. The work demonstrates the first steps towards Physarum computation and practical Physarum Biosensor; subsequent work will focus on development of a hybrid electronic-Physarum device capable of implementing computation.

研究动机与目标

• 开发一种基于多核变形虫（Physarum polycephalum）的生物传感器，用于检测环境刺激。
• 设计并实现一种基于多核变形虫的生物逻辑门，以展示基本计算操作。
• 为能够执行计算的混合电子-多核变形虫设备奠定基础。
• 通过利用活体原生质网络作为计算基质，推进非传统计算领域的发展。
• 通过探索生物系统中的涌现计算，为FET Proactive倡议做出贡献。

提出的方法

• 研究人员利用多核变形虫（Physarum polycephalum）天然的网络形成行为，构建了类似电路的活体结构。
• 将电极阵列与原生质网络集成，以检测并测量原生质流动过程中产生的电信号。
• 系统被配置为对化学和电刺激作出响应，从而实现对环境变化的检测。
• 通过控制刺激输入并观察原生质流动模式的输出响应，实现了逻辑门功能。
• 在受控环境中对生物传感器和逻辑门进行了测试，以验证其功能性和信号一致性。
• 该方法利用了该生物体固有的解决最短路径问题的能力及其对刺激的适应性，将其重新用于传感与逻辑运算。

实验结果

研究问题

• RQ1 多核变形虫（Physarum polycephalum）能否被可靠地用于构建能够通过可测量电信号检测环境刺激的功能性生物传感器？
• RQ2 多核变形虫（Physarum polycephalum）的原生质网络能否执行AND或OR等基本逻辑运算？
• RQ3 如何将多核变形虫的天然电活动与电子系统接口以实现计算？
• RQ4 使用活体原生质网络构建稳定且可重复的生物逻辑门的关键设计参数是什么？
• RQ5 生物与电子元件的集成能否带来具有实际计算潜力的混合计算设备？

主要发现

• 本研究成功展示了首个基于多核变形虫的生物传感器原型，能够通过可测量的电信号检测并响应外部刺激。
• 利用原生质网络实现了功能性的生物逻辑门，对输入刺激表现出一致的响应模式。
• 在受控条件下，系统表现出可重复的行为，表明其具备可扩展性和集成潜力。
• 结果证实，多核变形虫（Physarum polycephalum）可作为非传统计算与传感应用的可行基质。
• 该工作为未来具备计算能力的混合电子-多核变形虫设备提供了关键概念验证。
• 研究发现标志着生物启发式计算系统发展过程中的基础性里程碑。