طريقة لزراعة بيو-ميمريستورس من الوحل العفن
Summary
هذه الورقة بتقديم طريقة محسنة لزراعة بيو-ميمريستورس من أصل المتصورة من بوليسيفالوم فيساروم. أثبتت هذه طريقة لإنقاص وقت النمو وزيادة عمر مكون، توحيد الملاحظات الكهربائية، وخلق بيئة محمية التي يمكن أن تدمج في الدوائر التقليدية.
Abstract
وتهدف ابحاثنا اكتساب فهم أفضل للخصائص الإلكترونية للكائنات الحية من أجل هندسة أنظمة bioelectronic الرواية وأبنية الحوسبة استناداً إلى علم الأحياء. تركز هذه الورقة المحددة على تسخير أحادي الخلية الوحل العفن بوليسيفالوم فيساروم لتطوير بيو-ميمريستورس (أو ميمريستورس البيولوجي) وأجهزة الحوسبة البيولوجية. Memristor هو مقاوم الذي يملك الذاكرة. من 4 الدائرة السلبية الأساسية العنصر (الثلاثة الآخرين هي المقاوم والمكثف في المحث)، مما يمهد الطريق لتصميم أنواع جديدة من نظم الحوسبة؛ مثلأجهزة الكمبيوتر التي قد تتخلى عن الفرق بين التخزين ووحدة المعالجة المركزية. عند تطبيقها مع جهد التيار متردد، الحالي مقابل الجهد سمة memristor حلقة التباطؤ مقروص. لقد ثبت أن بوليسيفالوم P. تنتج الحلقات التباطؤ انتزعت تحت الفولتية AC، ويعرض السلوك التكيفي الذي قابل للمقارنة مع أداء memristor. هذه الورقة يعرض الطريقة التي قمنا بتطويرها لتنفيذ بيو-ميمريستورس مع بوليسيفالوم P. ويدخل وضع وعاء للثقافة الكائن الحي، والذي يسهل انتشارها كعنصر دوائر إلكترونية. ثبت لدينا طريقة لإنقاص وقت النمو وزيادة عمر المكون، وتوحيد الملاحظات الكهربائية.
Introduction
أجهزة الكمبيوتر اليوم مبنية على استخدام العناصر الأساسية الدائرة السلبي الثاني-الطرفية الثلاث: المكثف والمقاوم في المحث. العناصر السلبية فقط قادرة على تبديد أو تخزين الطاقة، لا تدر عليه. وأنشئت في 18عشر والقرنال 19 هذه العناصر ترتبط عن طريق معادلات ماكسويل. يمكننا تعريف كل عنصر من عناصر هذه الدوائر الثلاث فيما يتعلق العلاقة بين اثنين من المتغيرات الأربعة الدائرة هما الحالية (ط)، والجهد (V)، وتهمة (Q)، والتمويه-الربط (φ). التهمة متكاملة الوقت الحالي وقانون فاراداي الجهد يعرف متكاملة الوقت تغير مستمر. وبالتالي، يتم تعريف مكثف بوجود علاقة بين الجهد والشحنة ومقاوم يعرف بوجود علاقة بين الجهد والحالية والمحث المعرفة بوجود علاقة بين التمويه والحالية. وكانت هذه العناصر لأكثر قرن، حجر زاوية للإلكترونيات. بيد أنها لا تمثل سوى ثلاثة من أزواج أربعة العلاقة الممكنة بين المتغيرات دارة، تاركاً الربط التمويه والاتهام غير مرتبط. في عام 1971، نشرت تشوا ليون ورقة1 حيث أنه افترض أن هناك عنصرا مفقوداً الرابعة التي ترتبط المتغيرات اثنين المتبقية، مما دعا memristor. Memristor يمكن أن يوصف مقاوم الذي يتذكر تاريخه، ومن ثم تقلص ‘المقاوم الذاكرة’. هذه الدالات عنصر بتغيير المقاومة وفقا لحجم الجهد المطبقة سابقا ومدته. وعلاوة على ذلك، يحتفظ memristor حالته المقاومة الأخيرة مرة واحدة لم يعد يتم تطبيق الجهد. خلافا لمكثف والمقاوم والمحث، سلوك memristor غير الخطية، الذي يتجلى في صورته-V حيث يتم تشكيل حلقة التباطؤ انتزعت تحت جهد التيار متردد. هذه الحلقة يأخذ شكل الرقم ليساجوس المحتوية على ذبذبات عمودي اثنين من الدول مقاومة عالية ومنخفضة. قبل نظرية شوا ميمريستانسي ذات طابع رسمي، أبلغ باحثون آخرون في ذاكرة مقاومة تأثيرات ترددات معينة عند تجريب مواد مثل البوليمرات وأكاسيد معدنية، جنبا إلى جنب مع تطوير الأجهزة الكهربائية في الميكرومتر الجدول2. ومع ذلك، في كثير من الحالات، اعتبرت هذه الآثار غير المرغوب فيها. استغرق أربعين عاماً تقريبا لإضفاء الطابع الرسمي على لتشوا أن يكون متصلاً بجهاز مادي والباحثين للبدء في تطوير أساليب استغلال الآثار ميمريستيفي. نجح فريق في مختبرات HP في اختﻻق جهاز ميمريستيفي في 20083 التي أشعلت اهتماما كبيرا في العنصر.
علماء الكمبيوتر لديها اهتماما شديدا memristor نظراً لأنه يتم حساب كالعنصر الأول الجمع بين قدرات المعالجة والذاكرة في وحدة واحدة. ويعرض أيضا السلوكيات التي مماثلة لبعض العمليات العصبية مثل سبايك-توقيت-تعتمد على اللدونة (ستدب)4، بالاسم ولكن واحد. مثل هذه التصرفات تثير الآفاق لبناء تقنيات الحوسبة مثل الدماغ أن التخلي عن التمييز بين الذاكرة ووحدة المعالجة المركزية (أو وحدة المعالجة المركزية)5. على عكس النهج شعبية لتطوير ميمريستورس (باستخدام TiO2، على سبيل المثال)، طموحنا تطوير بيو-memristor عضوية. وعلاوة على ذلك، نحن مهتمون بكيفية هذا المكون قد توفر وسيلة لاستكشاف نماذج تتجاوز النهج التقليدية لأجهزة الحوسبة الهندسية؛ سبيل المثال، التطبيقات الإبداعية في المجال “الموسيقى الكمبيوتر”6.
ميمريستانسي هو تأثير ذلك وجد الباحثون مؤخرا في جميع أنحاء مجموعة من النظم البيولوجية. على سبيل المثال، خصائص ميمريستيفي قد لوحظت في نباتات الصبار7 وجلد الإنسان8، على سبيل المثال، لكن اثنين. هذه الاكتشافات تشير إلى أنه قد يكون من الممكن تنفيذ أجهزة المعالجة والذاكرة على ركائز البيولوجية. تسخير نظم العضوية داخل التكنولوجيا قد يسمح لنا باستكشاف مفاهيم مثيرة مثل التجميع الذاتي والإصلاح الذاتي، وانخفاض الأثر البيئي، والمحرك بالذات. قبل أن نتمكن من التحري هذه الفرص ومع ذلك، العديد من التحديات تحتاج إلى معالجتها. وقد العديد من النظم البيولوجية التي لها خصائص ميمريستيفي كبيرة من القيود التي تحد من قدرتها على الاستمرار كأحد مكونات إلكترونية الفعلية. على سبيل المثال، نبات الصبار7 يحتاج الضوء، محدودة عمر، وسيكون من الصعب على الاندماج في دارة. وعلاوة على ذلك، عدة في فيفو ميمريستيفي ظواهر أخرى، مثل العرق البشري القنوات8، لا خيارات ممكنة حاليا لتطوير نظم للاستخدام خارج المختبر وفي النظم الإلكترونية اليومية. ومع ذلك، هناك من جميع الظواهر ميمريستيفي، أحد المرشحين المحتملين: بوليسيفالوم ص.
المتصورة بوليسيفالوم P. هو نظام أحادي الخلية غير متبلور الذي تم اكتشافه بمثابة مكون ميمريستيفي9،10. هذا الكائن مرشح مثالي للبحوث في مجال الإلكترونيات الأجهزة-فيتور الهجين لعدد من الأسباب. أولاً، أن الكائن الحي هو غير ممرضة، العيانية، ويتطلب أي استخدام معدات متخصصة، مما يجعل المتصورة في الوصول إلى المهندسين وغير علماء الأحياء. ثانيا، الخلية هو غير متبلور وأشكال شبكات الأسلاك تشبه الأوردة، وسوف تنمو على معظم ركائز (الشكل 1). تسمح هذه الخصائص مورفولوجيا للخلية سهولة تحديد لتتوافق مع مخطط كهربائية تقليدية. وهناك أيضا بحوث تثبت أن المتصورة يمكن أن تعيش لأكثر من أربعة سنوات11، وأن ما أورده يمكن أن تعمل كذاتية لإصلاح ممرات موصلة12. وقد أكدت العديد من الدراسات المختبرية للكائن ميمريستيفي قدرات9،،من1013 والآن حان الوقت لاستكشاف إمكاناته.
أن فكرة استخدام P. ميمريستورس بوليسيفالوم جديدة نسبيا. نتيجة لذلك لا توجد أي معايير لقياس ورصد خصائصها الكهربائية. قد يكون هذا الافتقار إلى التوحيد في إجراءات تجريبية داخل نفس المجموعة البحثية وبين المجموعات والسبب هناك تناقضات بين نشر نتائج9،10. ومن المرجح أن هذا الاختلاف الأكثر بروزا في ظروف نمو عينة والمناولة. وبالتالي، نحن بحاجة إلى وضع أساليب لإنتاج واختبار ميمريستورس بوليسيفالوم P. حيث أفضل العوامل التي قد تتسبب في حدوث أخطاء تسيطر ورصدها. وعلاوة على ذلك، نحن بحاجة إلى إنشاء أساليب تنفيذ ميمريستورس P. بوليسيفالوم التي تسمح بإدماج النظم الكهربائية مستقرة وسهلة.
الطريقة المعروضة في هذه الورقة توفر منبرا لاستكشاف التطبيقات العملية بوليسيفالوم P. ميمريستورس بتوفير وسيلة لإدراج الكائن كعنصر من عناصر في تخطيطي كهربائية. ومن المرجح أن هذه التقنيات سوف نداء إلى المهندسين الراغبين باستكشاف العالم الحقيقي استخدامات النظم الهجينة الأجهزة–ويتواري. وعلاوة على ذلك، أنها متاحة لغير الخبراء (مثلاً، المتحمسين النماذج الإلكترونية المفتوحة المصدر) الذين قد تكون مهتمة في تجريب جوانب الحوسبة غير تقليدية ولكن وجدت أنه من الصعب العثور على نماذج للتكيف مع ما الاحتياجات. قد تتضمن بعض التطبيقات المحتملة تنفيذ النماذج الاحتمالية تسخير ميمريستورس النتوءات السلوك، وضع نهج لأداء ل جليلعمليات أوجيك، ونمذجة العمليات العصبية لتخزين المعلومات وتجهيزها.
Protocol
Representative Results
Discussion
قدمت هذه الورقة أسلوب لزراعة ميمريستورس من أصل ميكسوميسيتي P. بوليسيفالوم. ويزرع في الحي داخل أوعية مطبوعة ثلاثية الأبعاد التي تم تصميمها للتغلب على بعض القيود المرتبطة بتنفيذ بيو-ميمريستورس. وتشمل هذه القيود وقت الإعداد ووقت النمو العينة، والافتقار إلى التوحيد لظروف النمو عينة بعينه والملاحظات الكهربائية.
لدينا وعاء أول كشف في عام 2015 في مواد الدعاية المطبوعة لشبه جزيرة الفنون المعاصرة الموسيقى مهرجان عام 2016 (باكمف) وموقع كل منها15. هنا، لدينا التكنولوجيا استخدمت لوضع نظام موسيقى تفاعلية bioware أجهزة مختلطة التي كانت قادرة على توليد مرافقات الموسيقية لموسيقى حية. في14من المرجع، أفادت التجارب الواسعة لدينا وعاء، ومقارنة النتائج مقابل9،النهج السابق10. وفي أعقاب هذه التطورات، استكشاف مجموعة أخرى من الباحثين بعد ذلك خلق بيئات النمو لدراسة للكائن ثيرميستيفي خصائص16، ولكن هذه ليست نفس خصائص ميمريستيفي. ، ومع ذلك، فقط هناك محاولات أخرى اثنين في وضع نهج الخاضعة للرقابة لتنفيذ13،ميمريستورس بوليسيفالوم ص 17. في هذه التجارب، والآبار كانت مصنوعة من مادة الاستومر متوافق حيويا مثل هلام يسمى بولي دايمثيل سيلوكسان (PDMS)، ومن أقطاب تم إنشاؤها باستخدام مختلف المعادن أو poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS). على الرغم من أن هذه المواد تستخدم بشكل روتيني في الإلكترونيات، ميكروفلويديكس، والهندسة بيونيك، فهي مكلفة وتتطلب بعض الخبرة في استخدام. على سبيل المثال، يحتاج PEDOT:PSS تدور-طلاء والمنشطات لتحسين التوصيل به. ولذلك، التقنيات بعيدة عن متناول الناس الذين ليس لديهم إمكانية الوصول إلى الموارد من المتخصصين. الأوعية المعروضة في هذه المقالة استخدام الأساليب والمواد التي يتم الوصول إليها بسهولة وغير مكلفة. وعلاوة على ذلك، يوفر التصميم بيئة مؤاتية المتصورة للموئل، وعلى النقيض من النماذج الأخرى بوليسيفالوم P. memristor حيث لم تبذل أي محاولة للإبقاء الخلية لأي مدة من الزمن.
وحتى الآن، كان من الصعب الحصول على قياسات تتفق الأول إلى الخامس باستخدام الأساليب السابقة لاستزراع الكائن الحي على أطباق بتري (الشكل 5، اليسار). تحسين أساليب عملنا هذا السيناريو إلى حد كبير (الشكل 6). أظهرت نتائج الاختبار لدينا وعاء أن التصميم قد انخفض وقت النمو وزيادة عمر وتوحيد الردود المكون وإنشائه المكروية محمية لتغليف للكائن الحي. وعلاوة على ذلك، يوفر الجهاز وسائل مجدية لإدراج الكائن كعنصر في مخطط كهربائية.
طريقة عرض يخفف من عدد من القضايا المتصلة بتسخير ميمريستورس بوليسيفالوم P. داخل النظم الكهربائية. ومع ذلك، هناك قيود التي تتطلب المزيد من البحث والتطوير. أولاً، يمكن جمع التكثيف على السطح الداخلي لأنبوب يربط إذا هي أوعية لتغيير سريع في درجة الحرارة أو إذا كان يتم تطبيق جهد العالي لمدد طويلة. هذا الأخير سبب مقاومة عالية للكائن الحي مما تسبب في الطاقة الكهربائية تحويلها إلى الحرارة. إذا كان كبيرا، يمكن إنشاء التكثيف طريقا مقاومة منخفضة بين قطبين على طرفي أنبوب يربط. هذا القيد يمكن أن تدار فعلياً بضمان أن لا هي مثقلة ميمريستورس. ثانيا، يمكن أن تختلف عموما مقاومة ميمريستورس المنتجة باستخدام طريقة عرض من عنصر إلى عنصر. قد تكون هذه ظاهرة نتيجة للنهج الذي لا يقيد القطر الخارجي للأنبوب بروتوبلاسميك. ونتيجة لذلك، قد يحتاج المستخدمون إلى إدماج عملية معايرة في تطبيقها ميمريستورس.
وبفضل هذه المنهجية، يمكننا أن نبدأ الآن بدراسة العمليات البيولوجية التي تسبب الملاحظات ميمريستيفي في بوليسيفالوم ص. ومن المرجح أن هذه العمليات قد المعاملات الحيوية التي قد نكون قادرين على استغلال لزيادة استخدام العنصر. وقد بدأنا بتشغيل بعض التجارب الأولية حيث يتم تبديل تركيزات أيون خارج الخلية لاستعراض إذا قنوات أيون بوابات الجهد تلعب دوراً في ميمريستانسي.
وصممت أوعية قدم فقط لتنفيذ بوليسيفالوم P. ميمريستورس. هذه الأجهزة المحتمل، مع ذلك، أن تستخدم بعد ذلك لتنفيذ مكون واحد. على سبيل المثال، في مراجع12،18، درس أنبوب protoplasmic كتجميع ذاتي وذاتي إصلاح سلك بيولوجية. وأعرب الباحثون في هذه التحقيقات، أن هناك حاجة إلى مزيد من العمل وضع أساليب زراعة أنبوب protoplasmic وفقا لمخطط. أوعية المطروحة في هذه الورقة توفر أسلوباً لتحديد إنتاج الأنبوب بين النقاط، أو يحتمل أن تكون أكثر،. يبين الشكل 7 صورتين توضح أنه يمكن استخدام الأوعية لزراعة أنابيب صحية في أطوال أكثر من 100 ملم. في18من مرجع، كان التحقيق في وظيفة نقل الأنبوب بروتوبلاسميك. وأشارت نتائج هذا التحقيق إلى أن أجار المطلوبة لتنمو الأنابيب قد يسبب مشكلة إذا كان الكائن الحي إلى الاندماج في نظام كهربائية. هذا سبب السعة الركازة. لا تزال تتطلب أوعية المعروضة هنا أجار للحفاظ على رطوبة عالية. ومع ذلك، مع التغييرات الصغيرة للتصميم الوعاء، من الممكن لإنشاء أنبوب انفصال. قد يسمح هذا إعداد للأنبوب إلى قطع الاتصال من الدوائر بمجرد النمو الكامل وقص إلى نظام كهربائية. وعلاوة على ذلك، حالما يبدأ الصحة الأنبوب في التدهور، فإنه يمكن إعادة الاتصال إلى دوائر جديدة للغذاء والراحة حتى أنها قد أصلحت نفسها ولا يمكن استخدامها مرة أخرى. ويبين الشكل 8 صور الأنابيب الطويلة التي تم قطع الاتصال الدوائر. البحث في المستقبل ضروري للتحقيق في أنبوب protoplasmic الخصائص الكهربائية دون أجار، وعندما نمت في أطوال باستخدام طريقة عرض.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم تمويل هذه البحوث بجامعة بليموث، كلية العلوم الإنسانية والفنون المسرحية. الكتاب تود أن تقر فونكتيوناليزي لتوريد عينات جيش التحرير الشعبي الصيني موصلة.
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).
