Een methode voor het kweken van Bio-memristors uit Slime schimmel
Summary
Deze paper introduceert een verbeterde methode voor het kweken van bio-memristors uit de plasmodium van Physarum polycephalum. Deze methode heeft bewezen groei tijd inkorten, verhogen van levensduur van de component, standaardiseren elektrische opmerkingen en maken een beschermde omgeving dat conventionele circuits geïntegreerd kan worden.
Abstract
Ons onderzoek is gericht op het verkrijgen van een beter begrip van de elektronische eigenschappen van organismen om ingenieur van de nieuwe bioelectronic systemen en computing platforms op basis van biologie. Dit specifieke document richt zich op het aanwenden van de eencellige slime schimmel Physarum polycephalum bio-memristors (of biologische memristors) te ontwikkelen en bio-computerapparaten. De memristor is een weerstand die bezit van geheugen. Het is de 4e fundamentele passieve circuit element (de andere drie zijn de weerstand, de condensator en de spoel), dat is de weg voor het ontwerp van nieuwe soorten computersystemen vrijmaakt; bijvoorbeeld, computers die van het onderscheid tussen opslag en een centrale verwerkingseenheid afzien kan. Wanneer toegepast met een wisselspanning, is de huidige vs. spanning karakteristiek van een memristor een beknelde hysteresislus. Het is gebleken dat P. polycephalum beknelde hysteresis lussen onder wisselspanningen produceert en adaptief gedrag dat is vergelijkbaar met de werking van een memristor weergegeven. Deze paper presenteert de methode die we ontwikkeld voor de uitvoering van de bio-memristors met P. polycephalum en introduceert de ontwikkeling van een recipiënt aan de cultuur van het organisme, dat de implementatie als onderdeel van een elektronische schakeling vergemakkelijkt. Onze methode is gebleken verminderen groei tijd, verhoging van de levensduur van de component en standaardiseren van elektrische opmerkingen.
Introduction
Hedendaagse computers zijn gebouwd met behulp van de drie twee-terminal fundamentele passieve schakelingselementen: de condensator, de weerstand en de spoel. Passieve elementen zijn alleen geschikt voor absorberen of energie, niet het genereren van het op te slaan. Deze elementen werden opgericht in de 18th en 19e eeuw en zijn gekoppeld via de Maxwellvergelijkingen. Elk van deze drie circuit componenten in termen van hun relatie tussen twee van de vier circuit variabelen definiëren we namelijk stroom (I), spanning (V) lading (Q) en flux-koppeling (φ). De lading is de tijd integraal van de huidige en de Faraday wet definieert de spanning als de tijd integraal van de flux. Dus, een condensator wordt gedefinieerd door een relatie tussen spanning en gratis, een weerstand wordt gedefinieerd door een relatie tussen spanning en stroom, en de spoel gedefinieerd door een relatie tussen flux en actueel. Deze elementen waren voor meer dan een eeuw, een hoeksteen van de elektronica. Echter vertegenwoordigen zij slechts drie van de mogelijke paren van de vier relatie tussen de variabelen circuit, flux-koppeling en gratis ongekoppelde verlaten. In 1971 publiceerde Leon Chua een papier-1 , waar hij postuleert dat er sprake was van een ontbrekende vierde element dat de resterende twee variabelen, die hij de memristor noemde gekoppeld. De memristor kan worden omschreven als een weerstand die onthoudt van zijn geschiedenis, vandaar de samentrekking ‘geheugen weerstand.’ De functies van dit element door de weerstand volgens de omvang van de eerder toegepaste spanning en de duur te wijzigen. Bovendien behoudt de memristor de laatste weerstand staat zodra de spanning wordt niet langer toegepast. In tegenstelling tot de condensator, weerstand, en spoel is de memristor van gedrag niet-lineair, die blijkt uit haar I-V-profiel waar een beknelde hysteresislus onder een wisselspanning wordt gevormd. Deze lus heeft de vorm van een Lissajousfiguur met twee loodrecht oscillaties van hoge en lage resistente Staten. Voordat de Chua geformaliseerde memristance theorie meldden andere onderzoekers op geheugen weerstand effecten op bepaalde frequenties wanneer experimenteren met materialen zoals polymeren en metaaloxiden, samen met de ontwikkeling van elektrische apparaten op de micrometer schaal2. Echter, in veel gevallen deze effecten werden beschouwd als ongewenst. Het duurde bijna veertig jaar voor Chua van formalisering worden verbonden met een fysiek apparaat en voor onderzoekers om te beginnen met de ontwikkeling van methoden voor het benutten van memristive effecten. Een team bij de HP Laboratories slaagde er in het fabriceren van een memristive apparaat in 20083 die enorme belangstelling voor het element ontstoken.
Computerwetenschappers hebben een bijzondere interesse in de memristor te wijten aan het wordt gecrediteerd als het eerste element te combineren verwerking en geheugen capaciteiten in een enkele eenheid. Het toont ook gedragingen die analoog aan bepaalde neurologische processen zoals Spike-Timing-afhankelijke plasticiteit (STDP)4, om maar een te noemen zijn. Dergelijke gedragingen zijn die aanleiding geven tot de perspectieven van de bouw van de hersenen-achtige computing technologieën die afzien van het onderscheid tussen geheugen en centrale verwerkingseenheid (CPU)5. In tegenstelling tot de populaire benaderingen aan de ontwikkeling van memristors (met behulp van TiO2, bijvoorbeeld), is onze ambitie het ontwikkelen van een organische bio-memristor. Bovendien, wij zijn geïnteresseerd in hoe dit onderdeel als middel dienen kan om het verkennen van paradigma’s dan conventionele benaderingen aan engineering computerapparaten; bijvoorbeeldcreatieve toepassingen op het gebied van computermuziek6.
Memristance is een effect dat onderzoekers onlangs in een reeks van biologische systemen gevonden hebben. Bijvoorbeeld, zijn memristive eigenschappen waargenomen in Aloë vera planten7 en menselijke huid8, om te noemen maar twee. Deze ontdekkingen geven aan dat het mogelijk is om uit te voeren verwerking en geheugen apparaten op biologische substraten. Het aanwenden van biologische systemen binnen technologie kan toestaan ons te verkennen spannende concepten zoals zelf-assemblage zelfherstel, lage milieu-impact en zichzelf te voeden. Voordat we dit echter deze mogelijkheden onderzoeken kunnen, moeten verscheidene problemen worden aangepakt. Veel van de biologische systemen die memristive eigenschappen hebben hebben significante beperkingen in hun levensvatbaarheid als een werkelijke elektronische componenten te beperken. Bijvoorbeeld, een aloë vera blad7 heeft licht, heeft een beperkte levensduur en zou moeilijk zijn om te integreren in een circuit. Bovendien zijn diverse andere in vivo memristive verschijnselen, zoals menselijk zweet kanalen8, niet op dit moment haalbaar opties voor de ontwikkeling van systemen voor gebruik buiten het laboratorium en in dagelijkse elektronische systemen. Van alle de verschijnselen van de memristive, er is echter één potentiële kandidaat: P. polycephalum.
De plasmodium van P. polycephalum is een amorf eencellige systeem dat is ontdekt om op te treden als een memristive component9,10. Dit organisme is een ideale kandidaat voor onderzoek in hybride hardware-wetware elektronica voor een aantal redenen. Ten eerste, het organisme is niet-pathogene, macroscopische en vereist geen gespecialiseerde apparatuur gebruik, waardoor de plasmodium toegankelijk voor ingenieurs en niet-biologen. Ten tweede, de cel is amorf vormt van de netwerken van de draad-achtige aderen en zal groeien op de meeste ondergronden (Figuur 1). Deze eigenschappen maken de morfologie van de cel te gemakkelijk om te voldoen aan een conventionele elektrische regeling worden afgebakend. Er is ook onderzoek waaruit blijkt dat de plasmodium voor meer dan vier jaar11kan leven, en dat haar aderen kunnen fungeren als zelfherstellende geleidende trajecten12. Verschillende laboratorium studies hebben bevestigd dat het organisme de memristive capaciteiten9,10,13 en nu de tijd is rijp om te verkennen van de mogelijkheden.
Het idee van het gebruik van de P. polycephalum memristors is relatief nieuw. Dientengevolge, zijn er geen vastgestelde normen voor het meten en observeren van de elektrische eigenschappen. Dergelijk gebrek aan uniformiteit in experimentele procedures binnen de dezelfde onderzoeksgroep en tussen groepen kan worden de reden er inconsistenties tussen gepubliceerd resultaten9,10. Het is waarschijnlijk dat deze variatie meest prominente in monster groei omstandigheden en behandeling is. Dus we moeten voorzien in methoden voor het produceren en testen van P. polycephalum memristors waar de factoren die fouten kunnen veroorzaken beter zijn gecontroleerd en bewaakt. Bovendien moeten we wijzen van uitvoering van P. polycephalum memristors waarmee voor stabiele en eenvoudige integratie in elektrische systemen maken.
De methode die in dit document gepresenteerd biedt een platform voor verkenning van de praktische toepassingen van P. polycephalum memristors door het verstrekken van middelen voor de integratie van het organisme als een component in een elektrische schema. Het is waarschijnlijk dat deze technieken zal een beroep op ingenieurs willen verkennen van real-world toepassingen van hybride hardware-wetware systemen. Bovendien is het toegankelijk voor niet-experts (b.v., open-source elektronische prototyping liefhebbers) die wellicht geïnteresseerd zijn in het experimenteren met aspecten van onconventionele computing maar vond het moeilijk om te vinden van prototypes aan te passen aan hun behoeften. Sommige mogelijke toepassingen kunnen omvatten uitvoering van probabilistische modellen gebruik te maken van de memristors stekelige gedrag, ontwikkeling van benaderingen voor het uitvoeren van stateful logic operaties, en modellering van de neurologische processen voor informatieopslag en verwerking.
Protocol
Representative Results
Discussion
Deze paper gepresenteerd een methode voor het kweken van memristors uit de myxomycete P. polycephalum. Het organisme wordt geteeld in 3D gedrukte recipiënten die zijn ontworpen voor het overwinnen van de beperkingen die gekoppeld zijn aan de uitvoering van de bio-memristors. Dergelijke beperkingen zijn insteltijd, monster groei tijd en gebrek aan standaardisatie voor monster-naar-sample groei omstandigheden en elektrische opmerkingen.
Onze recipiënt werd voor het eerst onthuld in 2015 in de gedrukte reclamemateriaal voor de Peninsula Arts Contemporary Music Festival 2016 (PACMF) en de respectieve website15. Hier, werd onze technologie gebruikt voor het ontwikkelen van een hybride hardware-bioware interactieve muzieksysteem dat geschikt was voor het genereren van muzikale begeleidingen aan een levende musicus. In verwijzing14, wij gemeld op de uitgebreide testen van onze recipiënt en vergeleken de resultaten tegen eerdere benaderingen9,10. Naar aanleiding van deze ontwikkelingen, een andere groep van onderzoekers onderzocht vervolgens creëren groei omgevingen om te bestuderen van het organisme thermistive eigenschappen16, maar deze zijn niet hetzelfde als memristive eigenschappen. Er, echter, slechts twee andere pogingen geweest op de ontwikkeling van een beheerste aanpak van de uitvoering van P. polycephalum memristors13,17. In deze experimenten, wells waren gemaakt van een gel-achtige biocompatibel elastomeer materiaal genaamd Polydimethylsiloxaan (PDMS) en elektroden zijn gemaakt met behulp van verschillende metalen of poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS). Hoewel deze materialen routinematig in de elektronica, microfluidics en bionic engineering gebruikt worden, ze zijn duur en vragen enkele expertise te gebruiken. PEDOT:PSS moet bijvoorbeeld spin-coating en doping om de geleidbaarheid. De technieken zijn dus buiten het bereik van mensen die geen toegang tot bronnen van de specialist hebben. De recipiënten gepresenteerd in dit artikel gebruiken methoden en materialen die gemakkelijk toegankelijk en goedkoop zijn. Bovendien is het ontwerp biedt een gastvrije omgeving voor de plasmodium aan habitat, die in tegenstelling tot de andere P. polycephalum memristor prototypes waar geen poging was gedaan de cel om levend te houden voor een duur van tijd.
Tot nu toe, is het al moeilijk te verkrijgen van consistente I-V metingen met behulp van bovenstaande methoden voor het kweken van het organisme op petrischalen (Figuur 5, links). Onze methoden dit scenario aanzienlijk verbeterd (Figuur 6). De resultaten van onze inhoud van de houder tests hebben aangetoond dat het ontwerp heeft groei tijd daalde, steeg de levensduur, gestandaardiseerd component reacties en gemaakt van een beveiligde communicatie te vatten van het organisme. Bovendien biedt het apparaat mogelijk middelen van de integratie van het organisme als onderdeel van een elektrische regeling.
De onderhavige methode verlicht een aantal kwesties met betrekking tot het aanwenden van P. polycephalum memristors binnen elektrische systemen. Er zijn echter beperkingen die verder onderzoek en ontwikkeling vereisen. Ten eerste, condensatie kan informatie over de aansluitende buis binnenzijde de recipiënten worden onderworpen aan een snelle verandering in temperatuur of een hoge spanning wordt toegepast voor de lange duur. Dit laatste is te wijten aan het organisme van hoge weerstand waardoor elektrische energie te worden omgezet in warmte. Als belangrijke, kunt de condensatie maken een lage resistent pad tussen de twee elektroden aan weerszijden van de aansluitende buis. Deze beperking kan effectief worden beheerd door ervoor te zorgen dat de memristors niet worden overbelast. Ten tweede, de algehele weerstand van memristors geproduceerd met behulp van de onderhavige methode kan variëren van component-te-componenten. Een dergelijk fenomeen mogelijk een resultaat van de benadering niet beperken de buitendiameter van de protoplasmic buis. Bijgevolg, kunnen gebruikers moeten een kalibratieproces integreren in hun toepassing van de memristors.
Dankzij deze methode, kunnen we nu beginnen met het bestuderen van de biologische processen die er de oorzaak van memristive opmerkingen in P. polycephalum. Het is waarschijnlijk dat dergelijke processen hebben dynamische parameters die wij zou kunnen misbruiken om uit te breiden van het element gebruik. We zijn begonnen met enkele voorbereidende experimenten uitgevoerd waar extracellulaire ion concentraties worden gewijzigd om te herzien als spanning-gated ionenkanalen een rol in memristance spelen.
De gepresenteerde recipiënten werden ontworpen uitsluitend voor de uitvoering van P. polycephalum memristors. Deze apparaten zijn echter waarschijnlijk, gebruik dan die van de uitvoering van een enkelvoudige component hebben. Bijvoorbeeld, in verwijzingen12,18, werd de protoplasmic buis bestudeerd als een zelfassemblerende en zelfherstellende biologische draad. In beide deze onderzoeken, de onderzoekers uitgedrukt dat verdere werkzaamheden nodig was om de methoden van het kweken van de protoplasmic buis volgens een schema. De recipiënten die naar voren gebracht in dit document bieden een methode voor de productie van de buis tussen twee, of potentieel meer, punten uitgezet. Figuur 7 twee foto’s illustreren dat de recipiënten kunnen worden gebruikt om te groeien van gezonde buizen op lengtes toont meer dan 100 mm. In de referentie18, werd de overdrachtsfunctie van de protoplasmic buis onderzocht. Resultaten van dit onderzoek is aangegeven dat de agar moeten groeien de buizen een probleem veroorzaken kan als het organisme moest worden geïntegreerd in een elektrisch systeem. Dit is te wijten aan de capaciteit van het substraat. De recipiënten die hier gepresenteerd vereisen nog agar te houden van de luchtvochtigheid hoog. Met kleine aanpassingen aan de inhoud van de houder ontwerp is het echter mogelijk maken een afneembare buis. Deze opstelling kan toestaan voor de buis te worden losgekoppeld van de kamers zodra groei compleet en afgekapt in een elektrisch systeem is. Bovendien, zodra de gezondheid van de buis begint te verslechteren, het kan opnieuw worden verbonden aan nieuwe kamers voor voedsel en uitstel totdat het zich heeft hersteld en opnieuw kan worden gebruikt. Figuur 8 toont een foto van lange buizen die hebben losgekoppeld van de kamers. Toekomstig onderzoek is nodig om de onderzoeken van de protoplasmic buis elektrische eigenschappen zonder de agar en als volwassen op lengtes met behulp van de onderhavige methode.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek werd gefinancierd door de Plymouth University’s School of Humanities and Performing Arts. De auteurs wil erkennen van Functionalize voor het verstrekken van monsters van hun geleidende PLA.
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).
