שיטה לגידול ביו-memristors מן העיפוש רפש
Summary
מאמר זה מציג שיטה משופרת לגידול ביו-memristors מתוך הפלזמודיום של Physarum polycephalum. השיטה הוכיחה להקטין זמן גדילה, להגדיל את תוחלת החיים של רכיב, לתקנן תצפיות חשמל וליצור סביבה מוגנת שמסוגלת ניתן לשלב המעגלים קונבנציונלי.
Abstract
המחקר שלנו מכוונת השגת הבנה טובה יותר של מאפייני האורגניזמים אלקטרונית כדי להנדס מערכות bioelectronic הרומן של ארכיטקטורות מחשוב מבוסס על ביולוגיה. נייר ספציפי זה מתמקד רתימת כייר רפש חד־תאיות Physarum polycephalum לפתח ביו-memristors (או memristors ביולוגי) התקני מחשוב-ביו. ממריסטור הוא הנגד שמחזיק זיכרון. . זה 4 מעגל פסיבי יסוד ביסוד (השני שלושה הם resistor את הקבל, את סליל השראה), אשר הוא סולל את הדרך על עיצוב האתר של סוגים חדשים של מערכות מחשוב; למשל, מחשבים עשוי לוותר על ההבחנה בין אחסון של יחידת העיבוד המרכזית. בעת החלת עם מתח חילופין, הנוכחי לעומת מתח האופייניים ממריסטור היא לולאה היסטרזיס צבט. הוכח כי polycephalum פ מייצרת היסטרזיס צבט לולאות תחת מתח AC ומציגה את התנהגות מסתגלת המקבילה עם תפקוד ממריסטור. מאמר זה מציג את השיטה שפיתחנו עבור יישום ביו-memristors עם polycephalum פ , מציגה את התפתחות קיבול לתרבות האורגניזם, בפריסת שלה בתור מרכיב מעגלים אלקטרוניים. השיטה שלנו הוכיחה כדי לצמצם את זמן צמיחה, להגדיל את תוחלת החיים רכיב לתקנן תצפיות חשמל.
Introduction
המחשבים של היום נבנים באמצעות רכיבי מעגל פסיבי יסוד 2-טרמינל 3: הקבל את resistor, את סליל השראה. אלמנטים פסיביים מסוגלים רק יחלוף או אחסון אנרגיה, לא שמייצר אותו. רכיבים אלה הוקמו על 18th והמאה ה 19 , מקושרים באמצעות משוואות מקסוול. אנו מגדירים כל אחד מרכיבים אלה שלושה מעגלים מבחינת היחסים בין שני המשתנים מעגל 4. כלומר, הזרם (I), מתח (V), תשלום (Q) ו שטף הצמדה (φ). טעינת האינטגרל זמן של הזרם, חוק פאראדיי מגדיר את המתח האינטגרל זמן של השטף. לפיכך, קבל מוגדרת על-ידי קשר בין מתח לבין תשלום, הנגד מוגדרת על-ידי מערכת יחסים בין מתח לבין הנוכחי, סליל השראה הוא מוגדר על ידי קשר בין שטף ועדכניים. במשך יותר ממאה שנה, רכיבים אלה היו אבן יסוד של אלקטרוניקה. עם זאת, הם רק מייצגים שלוש של זוגות ארבעה קשר אפשרי בין המשתנים במעגל, עוזב השטף הצמדה ודמי לא מקושרים. בשנת 1971, ליאון צ’ואה פרסם נייר1 איפה הוא שמהווה שהיה חסר אלמנט הרביעי מקושרים הנותרים שני המשתנים, אותו הוא מכנה את ממריסטור. ממריסטור יכול להיות מתואר הנגד שזוכר את ההיסטוריה שלה, ומכאן להתכווצות ‘זיכרון resistor.’ פונקציות רכיב זה על ידי שינוי ההתנגדות שלו על פי היקף המתח שהוחלו בעבר ומשך שלה. יתר על כן, ממריסטור שומר את מצב ההתנגדות האחרונה שלו ברגע המתח אינו מוחל. בניגוד קבל, נגד, סליל השראה, ההתנהגות של ממריסטור היא לא לינארית, אשר מתבטא בפרופיל שלה-V שבו נוצרת לולאה היסטרזיס צבט תחת מתח חילופין. הלופ הזה לוקח את הטופס של דמות Lissajous המכיל שני בניצב תנודות של הברית עמידות גבוה ונמוך. לפני תורת memristance פורמאלי של צ’ואה, חוקרים אחרים דיווחו על זיכרון ההתנגדות אפקטים בתדרים מסוימים כאשר ניסויים עם חומרים כגון תחמוצות מתכת, יחד עם פיתוח מכשירי חשמל-מיקרומטר פולימרים גודל2. עם זאת, במקרים רבים, אפקטים אלה נחשבו בלתי רצויות. לקח כמעט ארבעים שנה פורמליזציה של צ’ואה להיות מחובר התקן פיזי ועבור חוקרים להתחיל פיתוח שיטות של ניצול ההשפעות memristive. צוות במעבדות HP הצליח בדיית מכשיר memristive 20083 זה שהצית עניין עצום ברכיב.
מדעני מחשב יש עניין נלהב ממריסטור עקב זה להיות זוכה כרכיב הראשון לשלב יכולות העיבוד והזיכרון של יחידה אחת. הוא גם מציג התנהגויות מקביל תהליכים נוירולוגיים מסוימים כגון תזמון-תלויי-ספייק פלסטיות (STDP)4, רק אחד. התנהגות כזו הם המעוררים פרספקטיבות של בניית טכנולוגיות מחשוב המוח כמו לוותר על ההבחנה בין זיכרון, יחידת העיבוד המרכזית (או CPU)5. בניגוד הגישות פופולרי לפתח memristors (באמצעות TiO2, לדוגמה), שאיפתנו היא לפתח של ביו-ממריסטור אורגני. יתר על כן, אנו מעוניינים איך רכיב זה עשוי לספק אמצעי חקר פרדיגמות מעבר גישות קונבנציונליות התקני מיחשוב הנדסי; למשל, יישומים יצירתיים בתחום של מוסיקה במחשב6.
Memristance הוא אפקט חוקרים מצאו לאחרונה ברחבי מגוון של מערכות ביולוגיות. לדוגמה, מאפייני memristive נצפו הצמחים אלוורה7 ואת העור האנושי8, לצטט, אבל שניים. תגליות אלה מציינים כי ייתכן להסכמות עיבוד והתקני זיכרון על מצעים ביולוגי. רתימת המערכות האורגניות בתוך טכנולוגיה עשויה לאפשר אותנו לחקור רעיונות מרתקים כגון הרכבה עצמית, השפעה סביבתית נמוכה, תיקון עצמי, ומפעילים עצמית. לפני שנוכל לחקור את ההזדמנויות הללו אולם, מספר אתגרים צריך להתייחס. רבים של מערכות ביולוגיות בעלות מאפיינים memristive יש אילוצים משמעותי המגבילות הנביטה שלהם כמו רכיב אלקטרוני בפועל. לדוגמה, עלה אלוורה7 צריך אור יש תוחלת חיים מוגבלת, יהיה קשה להשתלב במעגל. יתר על כן, מספר אחרים ויוו memristive, תופעות כגון זיעה אנושית ducts8, אינם ריאלי כיום אפשרויות לפיתוח מערכות לשימוש מחוץ למעבדה, במערכות אלקטרוניות רגילים. עם זאת, של כל התופעות memristive, יש מועמד פוטנציאלי אחד: polycephalum פ.
הפלזמודיום של polycephalum פ היא מערכת חד־תאיות אמורפי כי התגלתה לפעול כמו רכיב memristive9,10. האורגניזם הוא מועמד אידיאלי לחקר באלקטרוניקה חומרה-המוחית היברידי עבור מספר סיבות. ראשית, האורגניזם פתוגניים שאינם, מאקרוסקופית, ודורש אין טעם ציוד מומחה, ההופכת הפלזמודיום נגיש מהנדסים, ללא-ביולוגים. שנית, התא אמורפי, טפסים רשתות של תיל דמויי ורידים, יגדל על רוב מצעים (איור 1). מאפיינים אלה מאפשרים המורפולוגיה של התא בקלות מאפשרת להחיל ערכת חשמל קונבנציונאלי. יש גם מחקרים מדגימים כי הפלזמודיום יכולים לחיות על פני ארבע שנים11, הורידים שלה יכול לשמש התיקון העצמי מסלולים מוליך12. מספר מחקרים במעבדה אישרו של האורגניזם memristive יכולות9,10,13 , עכשיו הזמן בשלים לחקור את הפוטנציאל שלה.
הרעיון של שימוש P. polycephalum memristors הוא חדש יחסית. כתוצאה מכך, ישנם אין תקנים הוקמה עבור מדידת והתבוננות שלה תכונות חשמליות. כזה חוסר אחידות בהליכים ניסיוני בתוך אותה קבוצת המחקר ובין קבוצות עשוי להיות הסיבה יש חוסר עקביות בין לאור תוצאות9,10. סביר כי וריאציה כזו היא הבולטת ביותר ב דוגמת תנאי הגידול והטיפול. לכן, אנחנו צריכים לייסד שיטות לייצור, בדיקות polycephalum פ memristors בו גורמים אשר עלול לגרום לשגיאות טובים יותר מבוקר תחת פיקוח. יתר על כן, עלינו ליצור שיטות יישום memristors polycephalum פ המאפשרים השתלבות מערכות חשמל נוחה ויציבה.
השיטה המובאת בעיתון הזה מספק פלטפורמה עבור חקר יישומים מעשיים של polycephalum פ memristors על-ידי מתן אמצעי שילוב האורגניזם כרכיב מפרטים טכניים חשמליים. סביר כי שיטות אלה ימשכו את המהנדסים לחקור את העולם האמיתי שימושים של מערכות חומרה-המוחית היברידית. יתר על כן, הוא נגיש שאינם מומחים (למשל, חובבי שטנץ אלקטרונית פתוח) מי עשוי להיות מעוניין להתנסות עם היבטים של מחשוב לא שגרתיים, אבל קשה למצוא טיפוס להסתגל שלהם הצרכים. כמה יישומים פוטנציאליים עשויים לכלול יישום מודלים הסתברותיים לרתום את memristors עולה התנהגות, פיתוח גישות לביצוע stateful lפעולות ogic, דגמי תהליכים נוירולוגיים לאחסון מידע, עיבוד.
Protocol
Representative Results
Discussion
מאמר זה הציג שיטה לגידול memristors החוצה myxomycete polycephalum פ. האורגניזם הוא גדל בתוך כלי קיבול מודפס 3D שנועדו להתגבר על חלק האילוצים המשויכות המיישמת את הביו-memristors. מגבלות כאלה כוללים זמן הכיוונון זמן צמיחה הדגימה, היעדר סטנדרטיזציה על תנאי הגידול מדגם-כדי-sample ותצפיות חשמל.
כלי הקיבול שלנו נחשף לראשונה בשנת 2015 בחומר פרסומי מודפס על חצי האי אמנות עכשווית מוסיקה פסטיבל 2016 (PACMF) ועל האתר בהתאמה15. הטכנולוגיה שלנו שימש כדי לפתח מערכת היברידית חומרה-bioware המוזיקה אינטראקטיבי זה היה מסוגל לייצר והשבירה מוסיקלי למוסיקאי בשידור חי. אסמכתא14, אנו מדווחים על בדיקה מקיפה של כלי הקיבול שלנו, והשוו את התוצאות נגד גישות הקודם9,10. בעקבות התפתחויות אלה, קבוצה אחרת של חוקרים בחנו ולאחר מכן יצירת סביבות גידול ללמוד מאפיינים של האורגניזם thermistive16, אבל אלה לא זהה memristive מאפיינים. עם זאת, היו שני ניסיונות לפתח גישה מבוקרת להטמעת polycephalum פ memristors13,17אחרים. בניסויים אלה, וולס היו עשויים חומר elastomer מסתיימים דמוי ג’ל הנקרא polydimethylsiloxane (PDMS), ואת אלקטרודות נוצרו באמצעות מתכות שונות או poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS). למרות חומרים אלה משמשים באופן שגרתי אלקטרוניקה מיקרופלואידיקה, הנדסה ביונית, הם יקרים, דרושה מומחיות כלשהי לשימוש. לדוגמה, PEDOT:PSS צריך ספין-ציפוי סימום לשיפור מוליכות שלה. לכן, הטכניקות הן מחוץ להישג ידם של אנשים שאין להם גישה למשאבים מומחה. כלי קיבול שהוצגו במאמר זה להשתמש בשיטות וחומרים שאינם בעלי גישה בקלות ולא יקר. יתר על כן, העיצוב מספק סביבה מסבירי הפלזמודיום לחנות, אשר בניגוד אחרים polycephalum פ ממריסטור אבות-טיפוס איפה לשמור את התא בחיים למשך כל זמן אין ניסיון.
עד עכשיו, זה היה קשה להשיג עקבי אני-V מדידות באמצעות שיטות קודמות culturing האורגניזם על בצלחות פטרי (איור 5, משמאל). השיטות שלנו השתפר בצורה משמעותית תרחיש זה (איור 6). תוצאות בדיקות של כלי הקיבול שלנו הראו כי העיצוב יש ירד זמן צמיחה מוגברת תוחלת החיים, סטנדרטית רכיב תגובות, שנוצרו microenvironment מוגן כדי לתמצת את האורגניזם. יתר על כן, המכשיר מספק האמצעים האפשריים של שילוב האורגניזם כמרכיב של מזימת חשמל.
השיטה הציג מקלה על מספר נושאים הקשורים רתימת polycephalum פ memristors בתוך מערכות חשמל. עם זאת, קיימות מגבלות הדורשות בהמשך מחקר ופיתוח. ראשית, עיבוי באפשרותך לאסוף במשטח הפנימי של הצינור המחבר אם כלי קיבול נמצאים נתון שינוי בטמפרטורה או אם מתח גבוה מוחל על משכי זמן ארוכים. האחרון הוא של האורגניזם עמידות גבוהה גורמת אנרגיה חשמלית שתועבר אל החום. אם משמעותי, עיבוי באפשרותך ליצור שביל עמיד נמוך בין האלקטרודות שני קצותיו של הצינור המחבר. מגבלה זו ניתן לנהל באופן יעיל על-ידי הבטחת memristors לא עמוסים. שנית, ההתנגדות הכוללת של memristors מיוצר בשיטת שהוצגו יכול לנוע בין רכיב-כדי-רכיב. תופעה שכזו עשויה להיות תוצאה של הגישה לא הגבלת הקוטר החיצוני של הצינור פרוטופלסמי. כתוצאה מכך, משתמשים, ייתכן שיהיה עליך לשלב היישום שלהם של memristors תהליך כיול.
הודות מתודולוגיה זו, אנחנו יכולים להתחיל עכשיו ללמוד על תהליכים ביולוגיים שגורמים memristive תצפיות ב polycephalum פ. סביר להניח כי תהליכים כאלה יש פרמטרים דינמיים היינו יכולים לנצל כדי להגדיל את השימוש של הרכיב. התחלנו לרוץ ניסויים ראשוני שבו ריכוז יון חוץ-תאית שונו כדי לבדוק אם תעלות יונים ממותגת מתח לשחק תפקיד memristance…
כלי קיבול הציג נועדו אך ורק לצורך יישום polycephalum פ memristors. התקנים אלה סביר, עם זאת, יש שימושים מעבר לזה של יישום רכיב אחד. לדוגמה, הפניות12,18, הצינור פרוטופלסמי נחקר כמו חוט ביולוגי וההספק עצמית, יכולת לתיקון עצמי. בחקירות אלה שני, החוקרים הביעו המצריך עבודה נוספת הייתה לייסד שיטות גידול הצינורית פרוטופלסמי לפי ערכה. כלי קיבול בנייר זה מספקות שיטה של ממציאים את הייצור של הצינור בין שניים או יותר פוטנציאל, נקודות. איור 7 מציג שתי תמונות הממחישות כלי קיבול, יכול לשמש כדי לגדול בריא צינורות-אורכים יותר מ 100 מ מ. הפניה18, הפונקציה העברה של הצינור פרוטופלסמי נחקר. תוצאות החקירה ציין כי אגר הדרוש כדי לגדל הצינורות עלולים לגרום בעיה אם האורגניזם כדי לשלב מערכת חשמל. זאת בשל קיבוליות של המצע. כלי קיבול המובאת כאן עדיין דורשים אגר כדי לשמור על לחות גבוהה. עם שינויים קטנים בעיצוב של הקיבול, זאת, ניתן ליצור צינור להסרה. זו הגדרת עשוי לאפשר צינור כדי להיות מנותק מן התאים לאחר צמיחה מלאה והצמיד לתוך מערכת חשמל. יתר על כן, ברגע בריאות של הצינור מתחיל להתדרדר, זה יכול להתחבר ללשכה חדשה עבור מזון, הפוגה עד תיקן את עצמו ניתן להשתמש שוב. איור 8 מראה תמונה של צינורות ארוכים אשר נותק מן התאים. למחקר עתידי יש צורך לחקור תכונות חשמליות של הצינור פרוטופלסמי ללא של אגר, כאשר גדל באורכים בשיטת שהוצגו.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה מומן על ידי בית הספר למדעי הרוח של אוניברסיטת פלימות ואמנויות הבמה. המחברים רוצה להכיר Functionalize כדי לספק דגימות של ה-PLA מוליך שלהם.
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).
