Eine Methode für den Anbau von Bio-Memristoren von Slime Mold

Heutige Computer werden mit den drei zwei-Terminal grundlegende passive Schaltkreiselemente gebaut: der Kondensator, der Widerstand und die Induktivität. Passive Elemente sind nur in der Lage, zerstreuen oder Speicherung von Energie, nicht generieren. Diese Elemente wurden 18^th und^{19. Jahrhundert} gegründet und sind verbunden durch Maxwell Gleichungen. Wir definieren diese drei Schaltungsteile in Bezug auf ihre Beziehung zwischen zwei der vier Schaltung Variablen nämlich Strom (I), Spannung (V), Ladung (Q) und Flux-Gestänge (φ). Die Ladung ist das Zeitintegral des Stromes und Faradaysches Gesetz definiert die Spannung als das Zeitintegral des Flussmittels. So ein Kondensator zeichnet sich durch eine Beziehung zwischen Spannung und Ladung ein Widerstandes zeichnet sich durch eine Beziehung zwischen Spannung und Strom und die Induktivität ist definiert durch eine Beziehung zwischen Fluss und aktuelle. Seit mehr als einem Jahrhundert wurden diese Elemente ein Eckpfeiler der Elektronik. Sie stellen jedoch nur drei der möglichen vier Beziehung-Paare zwischen den Stromkreis Variablen, so dass Flussmittel-Gestänge und kostenfrei aufgehoben. 1971 veröffentlichte Leon Chua ein Papier¹ wo er postuliert, dass gab es ein fehlende viertes Element, das die verbleibenden zwei Variablen verknüpft er die Memristor genannt. Der Memristor kann werden beschrieben als Widerstand, die seine Geschichte, daher erinnert die Kontraktion “Speicher Widerstand.” Dieses Element funktioniert durch seinen Widerstand entsprechend der Größenordnung der vorher angelegten Spannung sowie deren Dauer zu verändern. Darüber hinaus behält der Memristor seinen letzten Widerstand Zustand, sobald die Spannung nicht mehr angewendet wird. Im Gegensatz zum Kondensator, Widerstand und Induktivität ist der Memristor Verhalten nichtlinear, die ist offensichtlich in seinem-V-Profil, wo eine eingeklemmter Hysteresenschleife unter einer Wechselspannung gebildet. Diese Schleife hat die Form einer Lissajous-Figur mit zwei senkrechten Schwingungen von hohen und niedrigen beständig Staaten. Vor Chuas formalisiertes Memristance Theorie hatten andere Forscher auf Memory-Widerstand-Effekte bei bestimmten Frequenzen berichtet, beim Experimentieren mit Materialien wie Polymere und Metalloxiden, zusammen mit der Entwicklung von elektrischer Geräten bei der Mikrometer Maßstab². In vielen Fällen wurden diese Effekte jedoch unerwünscht betrachtet. Es dauerte fast vierzig Jahre für Chuas Formalisierung ein physisches Gerät verbunden werden und Forscher beginnen, Entwicklung von Methoden der Nutzung Memristive Effekte. Ein Team an den HP Laboratories gelang es Herstellung ein Memristive Gerät in 2008³ , die großes Interesse an das Element gezündet.

Informatiker haben ein großes Interesse an der Memristor aufgrund seiner Gutschrift als erstes Element, Verarbeitung und Speicher Fähigkeiten in einer Einheit zu verbinden. Es zeigt auch Verhaltensweisen, die analog sind, bestimmte neurologische Prozesse wie Spike-Timing-abhängigen Plastizität (STDP)⁴, um nur eine zu nennen. Solche Verhaltensweisen sind was zu Perspektiven für den Bau von Gehirn-wie-computing-Technologien, die die Unterscheidung zwischen Speicher und zentrale Recheneinheit (CPU)⁵verzichten. Im Gegensatz zu der beliebten Ansätzen zur Entwicklung von Memristoren (TiO₂, z. B. mit) ist unser Ziel, eine organische Bio-Memristor zu entwickeln. Darüber hinaus sind wir interessiert, wie diese Komponente erkunden Paradigmen über konventionelle Ansätze für technische Geräte zur Verfügung zu stellen kann; z.B., kreative Anwendungen im Bereich der Computer-Musik-⁶.

Memristance ist ein Effekt, den Forscher kürzlich in einer Reihe von biologischen Systemen gefunden haben. Beispielsweise wurden in Aloe Vera Pflanzen⁷ und menschliche Haut⁸, zitieren nur zwei Memristive Eigenschaften beobachtet. Diese Entdeckungen zeigen, dass es möglich eventuell, Verarbeitung und Speicher-Geräte auf biologische Substrate zu implementieren. Nutzung von biologischen Systemen in Technologie können uns spannende Konzepte zu erkunden wie Selbstorganisation, Selbstreparatur, geringe Umweltbelastung und selbst einschalten. Bevor wir jedoch diese Möglichkeiten untersuchen können, müssen einige Herausforderungen angegangen werden. Viele biologische Systeme, die Memristive Eigenschaften haben erhebliche Einschränkungen, die ihre Existenz als eine tatsächliche elektronische Komponente zu begrenzen. Zum Beispiel ein Aloe Vera Blatt⁷ braucht Licht, hat eine begrenzte Lebensdauer und wäre schwierig, in einer Schaltung zu integrieren. Darüber hinaus sind wie menschlichen Schweiß⁸Kanäle mehrere andere in Vivo Memristive Phänomene, nicht derzeit Machbaren Möglichkeiten zur Entwicklung von Systemen für den Einsatz außerhalb des Labors und in täglichen elektronischen Systemen. Aller Memristive Phänomene, ist jedoch ein potenzieller Kandidat: p. Polycephalum.

Das Plasmodium von p. Polycephalum ist ein amorphes einzelligen System, die entdeckt wurden, als eine Memristive Komponente^9,10handeln. Dieser Organismus ist ein idealer Kandidat für die Forschung in der Hybrid-Hardware-Wetware Elektronik für eine Reihe von Gründen. Erstens der Organismus ist nicht-pathogene, makroskopischen und erfordert keine spezialisierte Ausrüstung verwenden, die das Plasmodium für Ingenieure und nicht-Biologen zugänglich macht. Zweitens die Zelle ist amorph, bildet Netzwerke von Draht-wie Adern und wächst auf den meisten Substraten (Abbildung 1). Diese Eigenschaften erlauben die Zellmorphologie leicht abgegrenzt werden, um eine herkömmliche elektrische Schema entsprechen. Es gibt auch Untersuchungen, die zeigen, dass das Plasmodium für mehr als vier Jahre¹¹Leben kann, und dass seine Adern als selbstreparierenden leitfähige Bahnen¹²dienen können. Mehrere Untersuchungen im Labor bestätigten den Organismus Memristive Fähigkeiten^9,10,13 , und jetzt ist die Zeit reif, sein Potenzial zu erforschen.

Die Idee der Verwendung von P. Polycephalum Memristoren ist relativ neu. Infolgedessen gibt es keine etablierte Standards zur Messung und Beobachtung ihrer elektrischen Eigenschaften. Diese mangelnde Einheitlichkeit in experimentellen Verfahren innerhalb der gleichen Forschergruppe und zwischen Gruppen möglicherweise, dass der Grund, es Ungereimtheiten unter gibt, Ergebnisse^9,10veröffentlicht. Es ist wahrscheinlich, dass solche Variation prominenteste Beispiel Wachstumsbedingungen und Handhabung ist. So müssen wir Verfahren zur Herstellung und Prüfung p. Polycephalum Memristoren Faktoren, die möglicherweise zu Fehlern führen besser sind gesteuert und überwacht.  Darüber hinaus müssen wir zum Erstellen von Methoden für die Umsetzung von p. Polycephalum Memristors, die eine stabile und einfache Integration in elektrischen Anlagen ermöglichen.

In diesem Whitepaper vorgestellte Methode bietet eine Plattform für Erforschung von praktischen Anwendungen von p. Polycephalum Memristoren indem Sie Mittel der Einbeziehung des Organismus als Komponente in einen Schaltplan. Es ist wahrscheinlich, dass diese Techniken für Ingenieure, die reale Nutzung der Hardware-Wetware Hybridsysteme erkunden ansprechen werden. Darüber hinaus ist es für nicht-Experten (z.B. elektronische Prototyping OpenSource-Enthusiasten) zugänglich, die möglicherweise Interesse am Experimentieren mit Aspekten des unkonventionellen computing aber fand es schwierig zu Prototypen zur Anpassung an ihre braucht. Einige Anwendungsmöglichkeiten umfassen Umsetzung probabilistische Modelle Nutzbarmachung der Memristoren Spick Verhalten, Lösungsansätze zur Durchführung statusbehaftete lOgic Operationen und neurologische Prozesse für die Informationsspeicherung Modellierung und Verarbeitung.