Une méthode pour cultiver Bio-memristors de myxomycètes
Summary
Cet article présente une méthode améliorée pour la culture bio-memristors hors le plasmode de Physarum polycephalum. Une telle méthode s’est avérée diminuer le temps de croissance, augmenter la durée de vie de composant, normaliser les observations électriques et créer un environnement protégé qui peut être intégré dans les circuits classiques.
Abstract
Notre recherche vise à acquérir une meilleure compréhension des propriétés électroniques d’organismes pour nouveaux systèmes bioélectroniques et des architectures informatiques basées sur la biologie de l’ingénieur. Ce bac à papier met l’accent sur l’exploitant l’unicellulaire myxomycète Physarum polycephalum pour développer des bio-memristors (ou biologique memristors) et appareils de bio-informatique. Le memristor est une résistance qui possède la mémoire. C’est le 4e circuit passif fondamentaux élément (les trois autres sont la résistance, le condensateur et l’inductance), qui ouvre la voie à la conception de nouveaux types de systèmes informatiques ; par exemple, les ordinateurs qui pourraient abandonner la distinction entre le stockage et une unité centrale de traitement. Lorsqu’il est appliqué avec une tension alternative, le courant vs caractéristique de la tension d’un memristor est un cycle d’hystérésis pincé. Il a été démontré que P. polycephalum produit des cycles d’hystérésis pincé sous tensions AC et affiche un comportement adaptatif qui est comparable avec le fonctionnement d’un memristor. Cet article présente la méthode que nous avons développées pour mettre en œuvre des bio-memristors avec P. polycephalum et introduit le développement d’un récipient à la culture de l’organisme, ce qui facilite son déploiement comme un élément de circuit électronique. Notre méthode s’est avérée diminuer le temps de croissance, augmenter la durée de vie de composant et normaliser les observations électriques.
Introduction
Les ordinateurs d’aujourd’hui sont construites en utilisant les trois éléments de circuit passif fondamentaux de deux bornes : le condensateur, la résistance et l’inductance. Des éléments passifs sont seulement capables de dissiper ou de stocker de l’énergie, ne générant pas d’elle. Ces éléments ont été créés dans le 18ème et 19ème siècle et sont liées par les équations de Maxwell. Nous définissons chacun de ces composants de trois circuit en ce qui concerne leur relation entre deux variables quatre circuit nommément, courant (I), tension (V), charge (Q) et flux-linkage (φ). L’accusation est l’intégrale de temps du courant et la Loi de Faraday définit la tension comme l’intégrale de temps du flux. Ainsi, un condensateur est défini par une relation entre la tension et de charge, une résistance est définie par une relation entre la tension et le courant et l’inducteur est définie par une relation entre flux et actuel. Depuis plus d’un siècle, ces éléments ont été des pierres angulaires de l’électronique. Toutefois, ils ne représentent que trois des paires quatre relations possibles entre les variables du circuit, laissant les flux-linkage et frais non liés. En 1971, Leon Chua a publié un document de1 où il postule qu’il y avait un quatrième élément manquant qui reliait les deux variables restantes, qu’il appela le memristor. Le memristor peut être décrite comme une résistance qui se souvient de son histoire, d’où la contraction de « résistance de la mémoire. » Cette fonction d’élément en modifiant sa résistance en fonction de l’importance de la tension appliquée précédemment et sa durée. En outre, le memristor conserve son dernier état de résistance une fois que la tension ne s’applique plus. À la différence du condensateur, résistance et inductance, comportement du memristor est non linéaire, qui est évidente dans son profil d’I-V où il se forme une boucle d’hystérésis pincé sous une tension alternative. Cette boucle prend la forme d’une figure de Lissajous contenant deux oscillations perpendiculaires des États haut et bas résistants. Avant la théorie memristance formalisée de Chua, les autres chercheurs avaient rendu compte des effets de mémoire résistance à certaines fréquences lors de l’expérimentation avec des matériaux tels que des polymères et des oxydes métalliques, ainsi que de développer des dispositifs électriques au micromètre 2de l’échelle. Toutefois, dans de nombreux cas, ces effets ont été jugées indésirables. Il a fallu près de quarante ans pour la formalisation de coté être connecté à un périphérique physique et aux chercheurs commencer à élaborer des méthodes d’exploitation des effets memristive. Une équipe aux laboratoires de HP a réussi à fabriquer un appareil de memristive en 20083 qui a déclenché un intérêt énorme dans l’élément.
Informaticiens ont un vif intérêt pour le memristor parce qu’elle étant crédité comme le premier élément à combiner les capacités de calcul et de mémoire en une seule unité. Il affiche également les comportements qui sont analogues à certains processus neurologiques tels que Spike-Timing-Dependent plasticité (PDTS)4, pour ne citer qu’un. Ces comportements donnent lieu à des perspectives de la construction de cerveau-comme des technologies informatiques qu’abandonnent la distinction entre mémoire et unité centrale de traitement (ou CPU)5. Par contraste avec les approches populaires au développement memristors (utilisant TiO2, par exemple), notre ambition est de développer un memristor-bio organique. En outre, nous nous intéressons à comment ce composant peut fournir explorant les paradigmes au-delà des approches traditionnelles à des dispositifs de calcul génies ; par exemple, les applications créatives dans le domaine de l’informatique musicale6.
Memristance est un effet que des chercheurs ont récemment découvert dans toute une gamme de systèmes biologiques. Par exemple, les propriétés memristive ont été observées dans l’aloe vera plantes7 et peau humaine8, pour ne citer que deux. Ces découvertes indiquent qu’il serait possible de mettre en œuvre des dispositifs de calcul et de mémoire sur des substrats biologiques. Exploiter des systèmes organiques au sein de la technologie peut permettre d’explorer des concepts passionnants tels qu’auto-assemblage, autoréparation, faible impact sur l’environnement et s’alimenter. Avant que nous puissions enquêter sur ces occasions cependant, plusieurs problèmes doivent être abordées. Beaucoup de systèmes biologiques qui ont des propriétés memristive ont des contraintes importantes qui limitent leur viabilité comme véritablement un composant électronique. Par exemple, une feuille de l’aloe vera7 a besoin de lumière, a une durée de vie limitée et serait difficile à intégrer dans un circuit. En outre, plusieurs autres en vivo memristive phénomènes, tels que les conduits de la sueur humaine8, ne sont pas des options actuellement faisables pour développer des systèmes pour une utilisation à l’extérieur du laboratoire et dans des systèmes électroniques tous les jours. Cependant, de tous les phénomènes de memristive, il y a un candidat potentiel : P. polycephalum.
Le plasmode du P. polycephalum est un système unicellulaire amorphe qui a été découvert pour agir comme un composant de memristive9,10. Cet organisme est un candidat idéal pour la recherche en électronique de matériel-wetware hybride pour un certain nombre de raisons. Tout d’abord, l’organisme est non pathogène, macroscopiques et ne nécessite aucune utilisation de matériel de spécialiste, qui restitue le plasmode accessible aux non-biologistes et ingénieurs. Deuxièmement, la cellule est amorphe, forme des réseaux de veines comme fil et peut croître dans la plupart des substrats (Figure 1). Ces propriétés permettent à la morphologie de la cellule être facilement délimitées afin d’être conforme à un schéma électrique classique. Il y a aussi des recherches démontrant que le plasmodium peut vivre pendant plus de quatre ans11, et que ses veines peuvent agir comme autorégénérant voies conductrices12. Plusieurs études de laboratoire ont confirmé memristive capacités9,10,13 de l’organisme , et maintenant le moment est venu d’explorer son potentiel.
L’idée d’utiliser P. memristors polycephalum est relativement nouvelle. En conséquence, il n’y a pas de normes établies pour mesurer et observer ses propriétés électriques. Un tel manque d’uniformité dans les procédures expérimentales au sein du même groupe de recherche et entre les groupes est peut-être la raison pour laquelle il existe des incohérences entre publié résultats9,10. Il est probable que cette variation est plus importante dans le traitement et les conditions de croissance échantillon. Ainsi, nous devons établir des procédés de production et essais P. polycephalum memristors où les facteurs qui pourraient causer des erreurs sont mieux contrôlé et surveillé. En outre, nous avons besoin créer des méthodes de mise en œuvre de P. polycephalum memristors qui permettent une intégration facile et stable dans les systèmes électriques.
La méthode présentée dans le présent document fournit une plate-forme pour l’exploration des applications pratiques de P. polycephalum memristors en fournissant les moyens d’intégrer l’organisme en tant que composant dans un schéma électrique. Il est probable que ces techniques fera appel à des ingénieurs qui cherchent à explorer les usages réels des systèmes hybrides de matériel-wetware. En outre, il est accessible aux profanes (p. ex., les amateurs de prototypage électronique open source) qui pourraient être intéressées à expérimenter avec les aspects de l’informatique non conventionnelles, mais ont eu du mal à trouver des prototypes pour s’adapter à leur besoins. Certaines applications potentielles peuvent inclure la mise en œuvre de modèles probabilistes, exploitant les memristors, comportement, développement d’approches lorsque vous exécutez l avec état de dopageOGIC opérations et modélisation des processus neurologiques pour le stockage de l’information et traitement.
Protocol
Representative Results
Discussion
Cet article présente une méthode pour cultiver des memristors hors les myxomycètes P. polycephalum. L’organisme est cultivé à l’intérieur des récipients imprimés 3D qui ont été conçues pour surmonter certains des obstacles qui sont associés à la mise en œuvre de la bio-memristors. Ces limites concernent les temps de préparation, temps de croissance d’échantillon et l’absence de normalisation des conditions de croissance d’échantillon et d’observation électrique.
Notre récipient a été révélée en 2015 dans les documents de publicité imprimée pour la péninsule Arts Contemporary Music Festival 2016 (PACMF) et site Web respectif15. Ici, notre technologie a été utilisée pour développer un système de musique interactive de matériel-bioware hybride qui était capable de générer des accompagnements musicaux pour un musicien live. Référence14, nous avons signalé sur les tests approfondis de notre prise et comparé les résultats contre les précédentes approches9,10. Suite à ces développements, un autre groupe de chercheurs a par la suite exploré créant milieux de croissance pour l’étude thermistive propriétés16 de l’organisme, mais ce ne sont pas les mêmes que les propriétés memristive. Il, cependant, n’ont deux autres tentatives d’élaboration d’une approche contrôlée à mettre en œuvre P. polycephalum memristors13,17. Dans ces expériences, puits étaient constituées d’un matériau élastomère biocompatible gélatineuse appelé polydiméthylsiloxane (PDMS), et les électrodes ont été créées à l’aide de divers métaux ou poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (Modélation). Bien que ces matériaux sont couramment utilisés dans l’électronique, la microfluidique et ingénierie bionique, ils sont coûteux et nécessitent des compétences à utiliser. Par exemple, Modélation doit Enduction centrifuge et dopage pour améliorer sa conductivité. Par conséquent, les techniques sont hors de portée pour les personnes qui n’ont pas accès à des ressources spécialisées. Les récipients présentés dans cet article utilisent les méthodes et les matériaux qui sont facilement accessibles et peu coûteux. En outre, la conception fournit un milieu favorable pour le plasmodium à l’habitat, qui contraste avec les autres prototypes de memristor P. polycephalum où rien n’a été fait pour conserver la cellule actif pendant toute la durée du temps.
Jusqu’à présent, il a été difficile d’obtenir des mesures compatibles I-V à l’aide des méthodes précédentes pour la culture de l’organisme sur des boîtes de Pétri (Figure 5, gauche). Nos méthodes sensiblement amélioré ce scénario (Figure 6). Les résultats des tests de notre prise ont démontré que la conception a diminué le temps de croissance, a augmenté la durée de vie, normalisés selon les réponses de composant et crée un micro-environnement protégé pour encapsuler l’organisme. En outre, le dispositif prévoit des moyens réalistes de l’intégration de l’organisme comme une composante d’un système électrique.
La méthode présentée soulage un certain nombre de questions liées à l’exploitation P. polycephalum memristors au sein des systèmes électriques. Il y a, cependant, les limites qui nécessitent davantage de recherche et développement. Tout d’abord, condensation peut se réunir sur la surface intérieure du tube raccordement si les récipients sont soumis à un changement rapide de température ou si une tension élevée est appliquée pour de longues durées. Ce dernier est en raison de la résistance élevée de l’organisme provoquant l’énergie électrique à transférer en chaleur. Si importante, la condensation peut créer une voie résistante faible entre les deux électrodes aux extrémités du tube de raccordement. Cette limitation peut être gérée efficacement en s’assurant que les memristors ne sont pas surchargés. Deuxièmement, la résistance globale des memristors produites à l’aide de la méthode présentée peut varier du composant-composant. Un tel phénomène peut être un résultat de l’approche de ne pas limiter le diamètre extérieur du tube protoplasmique. Par conséquent, les utilisateurs doivent d’intégrer un processus de calibrage de leur demande des memristors.
Grâce à cette méthodologie, nous pouvons maintenant commencer à étudier les processus biologiques qui provoquent des observations memristive dans P. polycephalum. Il est probable que ces processus ont des paramètres dynamiques que nous pourrions être en mesure d’exploiter pour augmenter l’utilisation de l’élément. Nous avons commencé à courir quelques expériences préliminaires où les concentrations d’ions extracellulaires ont été modifiées pour examiner si les canaux ioniques voltage-dépendants joue un rôle dans memristance.
Les récipients présentés ont été conçus uniquement pour la mise en œuvre de P. polycephalum memristors. Ces dispositifs sont susceptibles, cependant, d’avoir des utilisations au-delà de l’implémentation d’un composant unique. Par exemple, dans les références12,18, le tube protoplasmique a été étudié comme un fils biologique auto-assemblage et réparation automatique. Dans ces deux enquêtes, les chercheurs ont exprimé qu’il fallait poursuivre les travaux d’établir des méthodes de plus en plus le tube protoplasmique suivant un schéma. Les récipients présentées dans ce document fournissent une méthode de délimiter la production du tube entre deux, ou potentiellement plus, points. La figure 7 illustre deux photographies qui illustrent que les récipients peuvent servir à grandir sains tubes d’une longueur supérieure à 100 mm. Référence18, la fonction de transfert du tube protoplasmique a été étudiée. Les résultats de cette étude ont indiqué que la gélose pour cultiver les tubes peut-être causer un problème si l’organisme devait être intégré dans un système électrique. C’est en raison de la capacité du substrat. Les récipients présentés ici doivent encore être agar pour garder l’humidité élevée. Cependant, avec de petits changements à la conception du récipient, il est possible de créer un tube amovible. Cette configuration peut permettre le tube d’être déconnectés de la chambre une fois que la croissance est terminée et taillés dans un système électrique. En outre, une fois que la santé du tube commence à se détériorer, il pourrait être reconnecté au nouvelles chambres pour l’alimentation et de répit jusqu’à ce qu’il a réparé lui-même et peut être réutilisé. La figure 8 montre une photo de longs tubes qui ont été déconnectés des chambres. Les recherches futures sont nécessaire pour enquêter sur les propriétés électriques du tube protoplasmique sans l’agar et lorsqu’il est cultivé à des longueurs à l’aide de la méthode présentée.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette recherche a été financée par la Faculté des sciences humaines et les Arts de la scène de l’Université de Plymouth. Les auteurs tenons à remercier Functionalize pour fournir des échantillons de leur conducteur 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).
