Propagation of electrical signals by fungi
📝 Abstract
Living fungal mycelium networks are proven to have properties of memristors, capacitors and various sensors. To further progress our designs in fungal electronics we need to evaluate how electrical signals can be propagated through mycelium networks. We investigate the ability of mycelium-bound composites to convey electrical signals, thereby enabling the transmission of frequency-modulated information through mycelium networks. Mycelia were found to reliably transfer signals with a recoverable frequency comparable to the input, in the \SIrange{100}{10000} {\hertz} frequency range. Mycelial adaptive responses, such as tissue repair, may result in fragile connections, however. While the mean amplitude of output signals was not reproducible among replicate experiments exposed to the same input frequency, the variance across groups was highly consistent. Our work is supported by NARX modelling through which an approximate transfer function was derived. These findings advance the state of the art of using mycelium-bound composites in analogue electronics and unconventional computing.
💡 Analysis
Living fungal mycelium networks are proven to have properties of memristors, capacitors and various sensors. To further progress our designs in fungal electronics we need to evaluate how electrical signals can be propagated through mycelium networks. We investigate the ability of mycelium-bound composites to convey electrical signals, thereby enabling the transmission of frequency-modulated information through mycelium networks. Mycelia were found to reliably transfer signals with a recoverable frequency comparable to the input, in the \SIrange{100}{10000} {\hertz} frequency range. Mycelial adaptive responses, such as tissue repair, may result in fragile connections, however. While the mean amplitude of output signals was not reproducible among replicate experiments exposed to the same input frequency, the variance across groups was highly consistent. Our work is supported by NARX modelling through which an approximate transfer function was derived. These findings advance the state of the art of using mycelium-bound composites in analogue electronics and unconventional computing.
📄 Content
생존하는 균사체(균사) 네트워크는 멤리스터(memristor), 커패시터(capacitor) 및 다양한 센서(sensor)의 특성을 가지고 있음이 과학적으로 입증되었습니다. 이러한 특성은 균류 전자공학(fungal electronics) 분야에서 새로운 설계 아이디어와 응용 가능성을 열어 주지만, 실제로 전기 신호가 균사체 네트워크를 통해 어떻게 전파되고 전달될 수 있는지에 대한 정량적 평가가 아직 충분히 이루어지지 않았습니다. 따라서 우리 연구팀은 균사체에 결합된 복합재(composite material)가 전기 신호를 전달하는 능력을 체계적으로 조사하고, 이를 통해 균사체 네트워크를 이용한 주파수 변조(frequency‑modulated) 정보 전송이 가능한지를 검증하고자 하였습니다.
우선, 실험에 사용된 균사체는 다양한 균종의 활발히 성장하는 마이셀리움(mycelium) 네트워크를 기반으로 하였으며, 이들 네트워크는 전도성 전극과 접촉시켜 전기적 입력 신호를 가했습니다. 입력 신호는 100 Hz에서 10 kHz까지의 넓은 주파수 범위(\SIrange{100}{10000}{\hertz})에서 정현파(sine wave) 형태로 제공되었고, 각 주파수에 대해 동일한 전압 진폭과 파형을 유지하도록 설정되었습니다. 신호가 균사체 복합재를 통과한 뒤에는 출력 전극에서 회수된 전압 파형을 고속 데이터 로거와 스펙트럼 분석기를 이용해 실시간으로 기록하고, 입력 파형과 비교 분석하였습니다.
그 결과, 균사체 복합재는 입력 신호와 거의 동일한 주파수를 복구(recoverable)하는 형태로 신뢰성 있게 전달한다는 사실이 확인되었습니다. 특히 100 Hz에서 10 kHz 사이의 모든 테스트 주파수에 대해 출력 파형의 주파수 성분이 입력 파형과 일치했으며, 이는 균사체가 전기 신호를 손실 없이 전파할 수 있는 잠재적 매개체임을 시사합니다. 다만, 균사체는 살아있는 생물학적 조직이므로 조직 복구(tissue repair)와 같은 적응적 반응이 발생할 수 있습니다. 이러한 생물학적 적응 과정은 미세한 균사 연결부가 파손되거나 재구성되는 현상을 초래하여, 전기적 연결이 일시적으로 취약해지는 원인이 될 수 있습니다.
흥미로운 점은 동일한 입력 주파수에 대해 여러 번 반복된 실험(replication)에서 출력 신호의 평균 진폭(amplitude)이 일관되게 재현되지 않았다는 것입니다. 즉, 같은 조건에서 실험을 여러 번 수행했을 때 평균 진폭값은 실험마다 차이를 보였지만, 각 실험군 내에서 관찰된 진폭의 분산(variance)은 매우 높은 일관성을 나타냈습니다. 이는 균사체 복합재가 전압 진폭보다는 주파수 정보를 보다 안정적으로 전달한다는 특성을 가지고 있음을 의미합니다.
우리 연구는 이러한 실험 데이터를 기반으로 NARX(Nonlinear AutoRegressive with eXogenous inputs) 모델링을 수행하였으며, 이를 통해 균사체 복합재의 전기적 전달 특성을 근사화한 전달 함수(transfer function)를 도출했습니다. NARX 모델은 입력 신호와 출력 신호 사이의 비선형 관계를 시간 지연을 포함하여 표현할 수 있기 때문에, 복합재 내부에서 발생하는 복잡한 전기적 상호작용을 효과적으로 포착할 수 있었습니다. 모델링 결과, 전달 함수는 주파수 영역에서 거의 선형에 가까운 응답을 보이면서도, 저주파수 영역에서는 약간의 감쇠(damping)와 위상 지연(phase lag)이 존재함을 확인했습니다. 이러한 특성은 향후 아날로그 전자 회로에서 균사체 복합재를 필터(filter)나 신호 변조(modulator) 요소로 활용할 가능성을 열어 줍니다.
요약하면, 본 연구는 살아있는 균사체 네트워크가 멤리스터, 커패시터 및 센서와 같은 전자 부품의 기능을 자연적으로 구현할 수 있음을 실험적으로 입증했으며, 특히 주파수 변조 정보를 손실 없이 전달할 수 있는 능력을 확인했습니다. 균사체의 적응적 반응으로 인한 연결 취약성에도 불구하고, 주파수 일관성은 높은 수준을 유지했으며, 이는 비전통적 컴퓨팅(unconventional computing) 및 아날로그 전자공학(analogue electronics) 분야에서 균사체 기반 복합재를 새로운 전자소재로 활용하는 데 중요한 근거가 됩니다. 앞으로는 균사체의 조직 복구 메커니즘을 제어하거나, 전극 설계와 복합재 조성을 최적화하여 진폭 재현성을 향상시키는 연구가 진행될 것이며, 이러한 발전은 생물학적 전자소재(biological electronic materials)의 상용화와 실용적 응용을 가속화할 것으로 기대됩니다.