Bio-memristors sümük kalıp üzerinden büyüyen bir yöntem
Summary
Bu kağıt biyo-memristors Physarum polycephalumplasmodium dışında büyüyen için geliştirilmiş bir yöntem sunar. Böyle bir yöntem büyüme zamanı azaltmak, bileşen ömrünü artırmak, elektrik gözlemler standartlaştırmak ve geleneksel devre entegre edilebilir korumalı bir ortam yaratmak kanıtlanmıştır.
Abstract
Bizim araştırma roman bioelectronic sistemleri ve bilgisayar mimarileri üzerinde Biyoloji dayalı Mühendisi için organizmaların elektronik özellikleri daha iyi bir anlayış kazanıyor hedefleniyor. Bu özel kağıt tek hücreli sümük kalıp biyo-memristors (veya biyolojik memristors) geliştirmek için Physarum polycephalum harnessing üzerinde odaklanır ve biyo-bilgi işlem aygıtları. Memristor bellek sahip bir direnç var. Bu yeni türdeki bilgi işlem sistemleri tasarımı için önünü (diğer üç direnç, kondansatör ve bobin vardır) olan 4 temel pasif devre, öğedir; örneğin, depolama ve merkezi işlem birimi arasında ayrım vazgeçmek bilgisayar. AC gerilim ile uygulanan akım gerilim karakteristik bir memristor vs boğumlu histeresis döngü olur. P. polycephalum ve AC gerilim altında sıkışmış histeresis döngüleri üretir bir memristor işleyişi ile karşılaştırılabilir adaptif davranışını görüntüler gösterilmiştir. Bu kağıt biyo-memristors P. polycephalum ile uygulamak için geliştirdiğimiz yöntem sunar ve bir receptacle kültürüne bir elektronik devre bileşeni olarak kendi dağıtım kolaylaştırır organizma gelişimini tanıtır. Bizim yöntem büyüme zamanı azaltmak, bileşen ömrünü artırmak ve elektrik gözlemler standartlaştırmak kanıtlanmıştır.
Introduction
Bugünün bilgisayar üç iki terminal temel pasif devre elemanları kullanılarak inşa edilir: kondansatör, direnç ve bobin. Pasif elementler sadece gondererek veya enerji üreten değil, depolama yeteneğine sahip. Bu öğeleri 18inci ve19 yy kuruldu ve Maxwell’in denklemler ile bağlantılıdır. Biz her iki dört devre değişkenlerin arasındaki ilişkileri açısından bu üç devre elemanları tanımlar Yani, (I) geçerli, voltaj (V), ücret (Q) ve akı-bağlantı (φ). Geçerli zaman ayrılmaz ücretsizdir ve Faraday’nın hukuk gerilim akı zaman ayrılmaz tanımlar. Böylece, bir kondansatör voltaj ve ücret arasında bir ilişki tanımlanır, bir direnç arasındaki gerilim ve geçerli bir ilişki tarafından tanımlanır ve endüktör akı arasında bir ilişki tanımlanır ve güncel olduğunu. İçin iyi bir yüzyıl içinde bu öğeleri elektronik bir dönüm noktası olduğunu. Ancak, bunlar sadece üç olası dört ilişki çiftleri arasında akı-bağlantı ve şarj ölçümden bırakarak devre değişkenleri temsil eder. 1971 yılında Leon Chua nerede memristor dedi kalan iki değişken bağlı eksik bir dördüncü öğesi olduğunu öne bir kağıt1 yayınlandı. Memristor-ebilmek var olmak onun Tarih, bu nedenle hatırlar bir direnç açıklanan daralma ‘bellek direnç.’ Dayanıklılığı, önceden uygulanan gerilim ve süresi büyüklüğü göre değiştirme tarafından bu öğe işlevleri. Ayrıca, gerilim artık uygulandıktan sonra memristor son direniş durumunu korur. Kapasitör, direnç ve bobin, onun-V profili belirgin olan nerede bir boğumlu histeresis döngü AC gerilim altında oluşturulur doğrusal olmayan, memristor’ın davranış dür. Bu döngü yüksek ve düşük dayanıklı devletler iki dikey salınımlarını içeren bir Lissajous figürü şeklindedir. Önce Chua’nın resmi memristance teorisi, diğer araştırmacılar bellek direnç etkileri belirli frekanslarda Polimerler ve mikrometre, elektrikli cihazlar geliştirme ile birlikte metal oksit gibi malzemeler deneme zaman bildirmişti ölçek2. Ancak, birçok durumda, bu etkiler istenmeyen kabul edildi. Neredeyse 40 yıl Chua’nın formalization fiziksel bir aygıta bağlı olması ve memristive etkileri istismar yöntemleri geliştirmek başlamak araştırmacılar için götürdü. HP Laboratuvarlarında çalışan bir takım öğe büyük ilgi Ignited 20083 memristive cihazda imalatı başarılı oldu.
Bilgisayar mühendisleri bu işleme ve bellek yetenekleri tek bir birimi birleştirmek için ilk öğe olarak alacak nedeniyle memristor özel bir ilgi var. Ayrıca Spike zamanlama bağımlı plastisite (STDP) gibi4, isim ama bir nörolojik belirli işlemler için benzer davranışları görüntüler. Bu davranışlar bellek ve merkezi işlem birimi (veya CPU) arasındaki ayrım5vazgeçmek beyin gibi bilgi işlem teknolojileri inşaat Perspektifler sebebiyet veren. Memristors (TiO2, örneğin kullanarak) geliştirme popüler yaklaşımlar aksine, bizim hırs bir organik biyo-memristor geliştirmektir. Ayrıca, biz ne kadar bu bileşen paradigmalar ötesinde geleneksel yaklaşımlar mühendislik bilgisayar aygıtları için keşfetmek anlamına gelir sağlayabilir olarak ilgilenen; örneğin, bilgisayar müzik6alanında yaratıcı uygulamaları.
Memristance araştırmacılar son zamanlarda biyolojik sistemleri bir dizi bulduk bir etkidir. Örneğin, memristive özellikleri aloe vera bitki7 ve insan cilt8alıntı, ama iki gözlenmiştir. Bu keşifler işleme ve bellek aygıtları üzerinde biyolojik yüzeylerde uygulamak mümkün olabileceğini gösterir. Organik sistemleri teknoloji içinde harnessing bize heyecan verici kavramları gibi kendinden montajlı keşfetmek için kendini onarma, düşük çevresel etki ve kendi kendine açılıyor izin verebilir. Ancak bu fırsatları araştırmak için önce birkaç zorlukları ele alınması gerekmektedir. Memristive özelliklere sahip biyolojik sistemlerin çoğunda canlılığı gerçek bir elektronik bileşen olarak sınırlamak önemli kısıtlamalar bulunmaktadır. Örneğin, bir aloe vera yaprağı7 ışığa ihtiyacı var, sınırlı bir ömrü vardır ve bir devre entegre etmek zor olacaktır. 8, insan ter kanalları gibi Ayrıca, birkaç diğer vivo içinde memristive olaylar, laboratuvar dışında ve günlük elektronik sistemlerde kullanılmak sistemleri geliştirmek için şu anda uygulanabilir seçenekler değildir. Ancak, tüm memristive olayları, bir potansiyel aday var: P. polycephalum.
P. polycephalum plasmodium memristive bileşen9,10davranmaya keşfetti amorf bir tek hücreli sistemidir. Bu canlının nedenlerle bir dizi için karma donanım-uzmandan elektronik araştırma için ideal bir aday olduğunu. İlk olarak, organizma patojenik olmayan, makroskopik ve plasmodium mühendis ve sigara-biyologlar için erişilebilir kılan hiçbir uzman ekipman kullanılması gerekir. İkinci olarak, hücre amorf, tel gibi damar ağları oluşturur ve en yüzeylerde (şekil 1) büyümek olacaktır. Bu özellikleri kolayca konvansiyonel elektrik düzenine uymak için belirlenen hücre morfolojisi sağlar. Dört yıl11için plasmodium yaşayabilir ve onun damarlar iletken yolları12kendi kendini tamir olarak hareket edebilir gösteren araştırma da vardır. Çeşitli laboratuvar çalışmaları organizmanın memristive yetenekleri9,10,13 doğruladı ve şimdi zaman potansiyelini keşfetmek uygundur.
Pkullanma fikri. polycephalum memristors nispeten yeni bir şey. Sonuç olarak, elektrik özelliklerini gözlemleyerek ve ölçme için kurulan hiçbir standartları vardır. Tekdüzelik içinde aynı araştırma grubu içinde ve gruplar arasında böyle bir eksikliği arasında tutarsızlıklar vardır nedeni sonuçları9,10yayınlanan olabilir. Büyük olasılıkla böyle değişim örnek büyüme koşulları ve işleme en önemli olduğunu. Böylece, biz yöntemleri üretmek için kurmak gerekiyor ve P. polycephalum memristors hatalarına neden olabilecek faktörler daha iyi nerede test kontrol ve sınıf başkanı. Ayrıca, elektrik sistem istikrarlı ve kolay entegrasyon için izin P. polycephalum memristors uygulama yöntemleri oluşturmanız gerekir.
Bu raporda sunulan yöntemi sağlayarak kuruluşlarınızdaki organizma bir bileşeni olarak elektrik bir şematik birleşmeyle P. polycephalum memristors pratik uygulamaları arama için bir platform sağlar. Bu teknikler hibrid donanım-uzmandan sistemler gerçek dünya kullanımı keşfetmek isteyen mühendisleri için hitap muhtemeldir. Ayrıca, Sigara-uzmanlar için (örneğin, açık kaynak elektronik prototip meraklıları) erişilebilir olduğunu kim alışılmamış bilgisayar yönleri ile deneme ilgilenen olabilir ama zor uyum sağlamak için prototip bulmak bulduk onların ihtiyacı var. Bazı potansiyel uygulamalar olasılıkçı modelleri davranış, durum bilgisi olan l performans yaklaşımlar geliştirme spiking memristors harnessing uygulama içerebilirogic işlemleri ve bilgi depolama için nörolojik süreçleri modelleme ve işleme.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu kağıt memristors myxomycete P. polycephalumdışında büyüyen bir yöntem mevcuttur. Organizma bazı biyo-memristors uygulanmasıyla ilişkili kısıtlamaları aşmak için tasarlanmış 3D yazdırılan sepetleri içinde büyüyor. Makine hazırlık süresi, örnek büyüme zaman ve belirli örnek örnek büyüme koşulları ve elektrik gözlemler için böyle sınırlamaları içerir.
Bizim receptacle ilk 2015 yılında baskılı tanıtım malzemesi Yarımadası Sanat Çağdaş Müzik Festivali 2016 (PACMF) ve ilgili Web sitesi15için ortaya çıktı. Burada, bizim teknoloji için canlı bir müzisyen müzik accompaniments üretme yeteneğine sahip bir karma donanım-bioware etkileşimli müzik sistemi geliştirmek için kullanıldı. Başvuru14, biz ve bizim receptacle kapsamlı testler üzerinde rapor önceki yaklaşımlar9,10sonuçları karşılaştırılır. Bu gelişmeler sonrasında başka bir grup araştırmacı, daha sonra organizmanın thermistive özellikler16çalışmaya oluşturma büyüme ortamları araştırdı, ama bunlar memristive özellikleri aynı değildir. Ancak, sadece P. polycephalum memristors13,17uygulama için kontrollü bir yaklaşım geliştirilmesi, iki diğer girişimler olmuştur. Bu deneyler, kuyu polydimethylsiloxane (PDMS) adı verilen bir jel benzeri Biyouyumlu elastomer malzemeden yapılmıştır ve elektrotlar çeşitli metaller veya poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) kullanılarak oluşturulmuş. Bu malzeme elektronik, havacilik ve biyonik mühendislik rutin olarak kullanılmasına rağmen onlar pahalı ve kullanmak için bazı uzmanlık gerektiren. Örneğin, PEDOT:PSS spin-kaplama ve doping, iletkenlik geliştirmesi gerekmektedir. Bu nedenle, dışarı-in uzanmak uzman kaynaklara erişim sahip olmayan insanlar için tekniklerdir. Bu makalede sunulan sepetleri yöntemleri ve kolayca erişilebilen ve ucuz malzemeleri kullanın. Ayrıca, tasarım için hiçbir girişimde hücrenin herhangi bir zaman süresince yaşatmak için yapıldığı aksine diğer bir P. polycephalum memristor prototip olan habitat için plasmodium misafirperver bir ortam sağlar.
Şimdiye kadar organizma Petri yemekleri (şekil 5, sol) kültür için önceki yöntemleri kullanarak tutarlı ı-V ölçümler elde etmek zor olmuştur. Bizim yöntemleri bu senaryo belirgin bir biçimde iyileştirilmiş (şekil 6). Bizim receptacle’nın test sonuçlarını tasarımı olan büyüme zaman azaldı, ömrü artar, bileşeni yanıt-e doğru standardize ve organizma kapsüllemek için korumalı bir microenvironment oluşturulan olduğunu gösterdi. Ayrıca, cihazın organizma bir elektrik düzeni bir bileşeni olarak entegre uygun araç sağlar.
Sunulan yöntem P. polycephalum memristors elektrik sistemleri içinde harnessing için ilgili konularda bir dizi azaltır. Ancak, daha fazla araştırma ve geliştirme gereken sınırlamalar vardır. İlk olarak, yoğunlaşma sepetleri sıcaklık hızlı bir değişim tabi veya uzun süreler için yüksek bir gerilim uygulanırsa bağlantı tüpün iç yüzeyi toplayabilirsiniz. İkinci içine ısı transfer edilecek elektrik enerjisi neden yüksek direnç organizmanın kaynaklanmaktadır. Önemli yoğunlaşma bağlantı tüp iki ucundaki iki elektrot arasında bir düşük dirençli yol oluşturabilirsiniz. Bu sınırlama, memristors aşırı sağlayarak etkili bir şekilde yönetilebilir. İkinci olarak, sunulan yöntemi kullanılarak üretilen memristors genel direnci bileşeni bileşen değişebilir. Böyle bir olay protoplazmik Boru dış çapı kısıtlama değil yaklaşım bir sonucu olabilir. Sonuç olarak, kullanıcılar bir kalibrasyon işlemi memristors kendi yapılarına ekleyebilmek için gerekebilir.
Bu yöntem sayesinde, artık memristive gözlemler P. polycephalumiçinde neden olan biyolojik süreçlerin çalışmaya başlayabiliriz. Bu tür işlemleri yararlanmak mümkün dinamik parametreleri vardır olasıdır öğe kullanım artırmak için. Biz ön bazı deneyler nerede ekstraselüler iyon konsantrasyonlarının voltaj-Kapılı iyon kanalları memristance içinde bir rol oynamak Eğer gözden geçirmek için değiştirilmiş çalışan başladı.
Sunulan sepetleri sadece P. polycephalum memristors uygulamak için tasarlanmıştır. Bu aygıtlar ancak kullanır ötesinde tek bir bileşen uygulanması için aşikardır. Örneğin, başvurular12,18‘, bir kendi kendine montaj ve kendini onarma biyolojik tel protoplazmik tüp incelenmiştir. Her iki bu araştırmalarda araştırmacılar daha fazla çalışma yöntemleri düzeniyle protoplazmik tüp büyüyen kurmak için gerekli olduğunu dile getirdi. Bu yazıda öne sepetleri iki veya potansiyel olarak daha fazla nokta arasındaki tüp üretimi operasyona, bir yöntem sağlar. Şekil 7 gösterir sepetleri Sağlıklı tüpler uzunluklarında büyümeye kullanılabilir gösteren iki fotoğraf daha–dan 100 mm. Başvuru18protoplazmik tüp transfer fonksiyonu araştırılmıştır. Bu araştırma sonuçlarından organizma bir elektrik sistemi entegre edilebilir eğer tüpler büyümek için gerekli agar bir sorun neden olabilir göstermiştir. Substrat’ın kapasite nedeniyle bu. Burada sunulan sepetleri hala agar nem oranı yüksek tutmak için gerektirir. Ancak, kabın’ın tasarım için küçük değişiklikler ile çıkarılabilir bir tüp oluşturmak mümkündür. Bu kurulum büyüme tam ve kırpılmış bir elektrik sistemi içine olduğunda odaları kesilecek tüp için izin verebilir. Tüp’ın sağlık bozulmaya başladığında, kendisi tamir ve yeniden kullanılabilir kadar Ayrıca, bu yeni salonları için gıda ve mühlet için kesilirken. Şekil 8 odaları bağlantısı kesilmiş uzun tüpler resmini gösterir. Gelecekteki araştırma protoplazmik tüp elektriksel özellikleri olmadan agar ve uzunlukları sunulan yöntemiyle yetiştirilen araştırmak için gereklidir.
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu araştırma, Plymouth Üniversitesi’nin insan okul ve sahne sanatları tarafından finanse edildi. Yazarlar kendi iletken PLA örnekleri sağlamak için Functionalize kabul etmek istiyorum.
Materials
| Conductive PLA filament 2.85mm | Functionalize | FE_1LB_2.85MM | Conductive 3D Printing Filament |
| HIPS Filament 3mm 1KG (black) | NuNus | 104856 | 3D printing filament |
| Cleaning Filament, 3mm, 0.1 kg, Natural | 3D Prima | 3DPCLEAN300 | 3D cleaning filament |
| Lulzbot Taz 5 | Lulzbot | TAZ 5 | 3D printer |
| Agar powder | Sigma-Aldrich | 0504 | Non-nutrient microbiological Agar powder |
| 4mm ID x 6mm OD Clear PVC Tubing Pipe Hose 5 Metres | Amazon | B008NC4JUO | Roll of PVC tubing |
| Physarum polycephalum Plasmodium, Living, Plate | Carolina Biological Supply Company | 156193 | Plasmodium culture. |
| Oat Flakes | Carolina Biological Supply Company | Oak flakes to feed the Plasmoidum | |
| Cura | Lulzbot | Cura LulzBot Edition | https://www.lulzbot.com/cura |
| 230 Programmable Voltage Source | Keithley Instruments | Voltage source instrument. | |
| 617 Programmable Electrometer | Keithley Instruments | Electrometer to measure low currents. |
References
- Chua, L. O. Memristor-The Missing Circuit Element. IEEE Transactions on Circuit Theory. 18 (5), 507-519 (1971).
- Trefzer, A. Memristor in a Nutshell. Guide to Unconventional Computing for Music. , 159-180 (2017).
- Strukov, D. B., Snider, G. S., Stewart, D. R., Williams, R. S. The missing memristor found. Nature. 453 (7191), 80-83 (2008).
- Howard, G., Gale, E., Bull, L., De Lacy Costello, B., Adamatzky, A. Evolution of plastic learning in spiking networks via memristive connections. IEEE Transactions on Evolutionary Computation. 16 (5), 711-729 (2012).
- Sah, M. P., Kim, H., Chua, L. O. Brains are made of memristors. IEEE Circuits and Systems Magazine. 14 (1), 12-36 (2014).
- Miranda, E. R., Kirke, A., Braund, E., Antoine, A. On Unconventional Computing for Sound and Music. Guide to Unconventional Computing for Music. , 23-62 (2017).
- Volkov, A. G., Tucket, C., Reedus, J., Volkova, M. I., Markin, V. S., Chua, L. Memristors in plants. Plant Signal Behav. 9 (2), 37-41 (2014).
- Grimnes, S., Lütken, C. A., Martinsen, &. #. 2. 1. 6. ;. G. Memristive properties of electro-osmosis in human sweat ducts. World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering, September 7-12, 2009, Munich, Germany. , 696-698 (2009).
- Gale, E., Adamatzky, A., de Lacy Costello, B. Slime Mould Memristors. BioNanoScience. 5 (1), (2014).
- Braund, E., Sparrow, R., Miranda, E. Physarum-based memristors for computer music. Advances in Physarum Machines. , 755-775 (2016).
- Daniel, J. W., Rusch, H. P. The pure culture of Physarum polycephalum on a partially defined soluble medium. Journal of General Microbiology. 25 (1901), 47-59 (1961).
- Adamatzky, A. Physarum wires: Self-growing self-repairing smart wires made from slime mould. Biomedical Engineering Letters. 3 (4), 232-241 (2013).
- Tarabella, G., et al. A hybrid living/organic electrochemical transistor based on the Physarum polycephalum cell endowed with both sensing and memristive properties. Chemical Science. 6 (5), 2859-2868 (2015).
- Braund, E., Miranda, E. On Building Practical Biocomputers for Real-world Applications: Receptacles for Culturing Slime Mould Memristors and Component Standardisation. Journal of Bionic Engineering. 14 (1), 151-162 (2017).
- Walter, X. A., Horsfield, I., Mayne, R., Ieropoulos, I. A., Adamatzky, A. On hybrid circuits exploiting thermistive properties of slime mould. Scientific reports. 6, (2016).
- Romeo, A., Dimonte, A., Tarabella, G., D’Angelo, P., Erokhin, V., Iannotta, S. A bio-inspired memory device based on interfacing Physarum polycephalum with an organic semiconductor. APL materials. 3 (1), (2015).
- Whiting, J. G., de Lacy Costello, B., Adamatzky, A. Transfer function of protoplasmic tubes of Physarum polycephalum. Biosystems. 128, 48-51 (2015).
