Un metodo per la coltivazione Bio-memristors da muffa di melma
Summary
Questo documento introduce un metodo migliore per la coltivazione bio-memristors fuori il plasmodio di Physarum polycephalum. Tale metodo ha dimostrato di ridurre i tempi di crescita, aumentare la durata della vita del componente, standardizzare le osservazioni elettriche e creare un ambiente protetto che può essere integrato nei circuiti convenzionali.
Abstract
La nostra ricerca è rivolta a ottenere una migliore comprensione delle proprietà elettroniche di organismi al fine di progettare nuovi sistemi bioelettronici e architetture di calcolo basati sulla biologia. Questo specifico documento si concentra su sfruttando la muffa di melma unicellulare Physarum polycephalum sviluppo bio-memristors (o biologica memristors) e dispositivi di bio-informatica. Il memristor è un resistore che possiede memoria. È il 4 ° circuito passivo fondamentale elemento (le altre tre sono il resistore, il condensatore e l’induttore), che sta spianando la strada per la progettazione di nuovi tipi di sistemi informatici; ad esempio, i computer che potrebbe abbandonare la distinzione tra il deposito e un’unità centrale di elaborazione. Quando applicato con una tensione alternata, la corrente vs tensione caratteristica di un memristor è un ciclo di isteresi pizzicato. È stato indicato che il p. polycephalum produce cicli di isteresi pizzicato sotto tensione in corrente alternata e visualizza comportamento adattivo che è paragonabile con il funzionamento di un memristor. Questa carta presenta il metodo che abbiamo sviluppato per l’implementazione di bio-memristors con il p. polycephalum e introduce lo sviluppo di un recipiente alla cultura dell’organismo, che facilita la distribuzione come un componente del circuito elettronico. Il nostro metodo ha dimostrato di ridurre i tempi di crescita, aumentare la durata della vita del componente e standardizzare le osservazioni elettriche.
Introduction
I computer odierni sono costruiti utilizzando i tre elementi fondamentali circuito passivo due terminali: il condensatore, la resistenza e l’induttore. Sono in grado di dissipare o immagazzinare energia, generando non solo elementi passivi. Questi elementi sono stati stabiliti in 18th e 19° secolo e sono collegati attraverso le equazioni di Maxwell. Ciascuno di questi componenti di tre circuito in termini di loro relazione tra due variabili di quattro circuito definiamo vale a dire, corrente (I), tensione (V), carica (Q) e flusso-sollevatore (φ). La carica è integrale nel tempo della corrente e legge di Faraday definisce la tensione come integrale nel tempo del flusso. Così, un condensatore è definito da una relazione tra tensione e carica, un resistore è definito da una relazione tra tensione e corrente, e l’induttore è definito da un rapporto tra flusso e corrente. Per oltre un secolo, questi elementi sono stati una pietra miliare dell’elettronica. Tuttavia, esse rappresentano soltanto tre delle possibili coppie di quattro relazione tra le variabili di circuito, lasciando flusso-sollevatore e carica scollegato. Nel 1971, Leon Chua ha pubblicato una carta1 dove Egli postulò che c’era un quarto elemento manca che collegava le due variabili rimanenti, che chiamò il memristor. Il memristor può essere descritto come un resistore che ricorda la sua storia, quindi la contrazione ‘resistore di memoria’. Questo funzioni di elemento, modificando la sua resistenza in funzione dell’entità della tensione applicata in precedenza e la sua durata. Inoltre, il memristor trattiene l’ultimo stato di resistenza una volta che la tensione non è più applicata. A differenza del condensatore, resistore e induttore, comportamento di memristor è non lineare, che è evidente nel suo profilo-V dove un ciclo di isteresi pizzicato è formato sotto una tensione CA. Questo ciclo prende la forma di una figura di Lissajous contenente due oscillazioni perpendicolari di Stati di alta e bassa resistenza. Prima teoria di memristance formalizzato di Chua, altri ricercatori avevano riferito sugli effetti di resistenza di memoria a determinate frequenze quando sperimentando materiali come i polimeri e ossidi metallici, insieme a sviluppare dispositivi elettrici presso il micrometro scala2. Tuttavia, in molti casi, questi effetti sono stati considerati indesiderabili. Ci sono voluti quasi quarant’anni per la formalizzazione di Chua essere collegato a un dispositivo fisico e per i ricercatori iniziare a sviluppare metodi di sfruttare gli effetti memristive. Un team presso i laboratori di HP è riuscito a fabbricare un dispositivo memristive 20083 che ha acceso di enorme interesse per l’elemento.
Informatici hanno un vivo interesse per il memristor dovuto esso è accreditato come il primo elemento di combinare le capacità di elaborazione e di memoria in una singola unità. Visualizza anche i comportamenti che sono analoghi a determinati processi neurologici come Spike-Timing-Dependent plasticità (STDP)4, per citarne solo uno. Tali comportamenti sono dando vita a prospettive di costruzione di tecnologie di elaborazione del cervello-come che rilasciano la distinzione tra memoria e unità centrale di elaborazione (o CPU)5. In contrasto con gli approcci popolari per sviluppare memristors (utilizzando TiO2, ad esempio), la nostra ambizione è di sviluppare un organico bio-memristor. Inoltre, siamo interessati a come questo componente può fornire i mezzi di esplorazione paradigmi oltre gli approcci convenzionali per dispositivi informatici ingegneria; ad esempio, applicazioni creative nel campo della Computer Music6.
Memristance è un effetto che i ricercatori hanno recentemente scoperto in tutta una gamma di sistemi biologici. Ad esempio, la proprietà memristive sono stati osservati in aloe vera piante7 e pelle umana8, per citare ma due. Queste scoperte indicano che è possibile implementare dispositivi di elaborazione e memoria su substrati biologici. Sfruttando sistemi organici all’interno di tecnologia potrebbe consentire noi per esplorare concetti eccitante come l’auto-assemblaggio, ripara di auto, a basso impatto ambientale e auto-alimentazione. Prima che possiamo indagare queste opportunità, tuttavia, parecchie sfide devono essere affrontate. Molti dei sistemi biologici che hanno proprietà memristive hanno notevoli vincoli che limitano la loro sopravvivenza come componente elettronico effettivo. Ad esempio, una foglia di aloe vera7 ha bisogno di luce, ha una durata limitata e sarebbe difficile da integrare in un circuito. Inoltre, parecchi altri in vivo memristive fenomeni, come il sudore umano condotti8, non sono opzioni attualmente fattibile per lo sviluppo di sistemi per l’uso di fuori del laboratorio e nei sistemi elettronici tutti i giorni. Tuttavia, di tutti i fenomeni di memristive, c’è un potenziale candidato: il p. polycephalum.
Il plasmodio di p. polycephalum è un sistema unicellulare amorfo che è stato scoperto per agire come un componente di memristive9,10. Questo organismo è un candidato ideale per la ricerca in elettronica hardware-wetware ibrido per una serie di motivi. In primo luogo, l’organismo è non patogeni, macroscopico e non richiede l’uso di attrezzature specialista, che rende accessibile ai non-biologi e ingegneri il plasmodio. In secondo luogo, la cella è amorfa, costituisce reti di filo-come vene e crescerà sulla maggior parte dei substrati (Figura 1). Queste proprietà consentono la morfologia della cellula essere facilmente delineati per conformi a uno schema elettrico convenzionale. C’è anche una ricerca che dimostra che il plasmodio possa vivere per oltre quattro anni11, e che le sue vene possono agire come autoriparante percorsi conduttivi12. Diversi studi di laboratorio hanno confermato memristive abilità9,10,13 dell’organismo e ora i tempi sono maturi per esplorare il suo potenziale.
L’idea di usare P. memristors polycephalum è relativamente nuovo. Di conseguenza, non ci sono nessun standard stabiliti per la misurazione e osservando le sue proprietà elettriche. Tale mancanza di uniformità nelle procedure sperimentali all’interno dello stesso gruppo di ricerca e tra gruppi può essere il motivo che ci sono incongruenze tra pubblicato risultati9,10. È probabile che tale variazione è più prominente nella movimentazione e le condizioni di crescita di campione. Così, abbiamo bisogno di stabilire metodi per la produzione e collaudo il p. polycephalum memristors dove i fattori che potrebbero causare errori sono meglio controllato e monitorato. Inoltre, abbiamo bisogno di creare metodi di implementazione il p. polycephalum memristors che consentono stabile e facile integrazione nel sistema elettrico.
Il metodo presentato in questa carta fornisce una piattaforma per l’esplorazione delle applicazioni pratiche di p. polycephalum memristors fornendo mezzi di incorporare l’organismo come un componente in un disegno schematico elettrico. È probabile che queste tecniche si rivolge agli ingegneri che desiderano per esplorare usi reali dei sistemi hardware-wetware ibridi. Inoltre, è accessibile ai non esperti (ad esempio, gli appassionati di prototipazione elettronica open source) che può essere interessate a sperimentare con aspetti dell’informatica non convenzionale ma hanno trovato difficoltà a trovare i prototipi di adattarsi alle loro esigenze. Alcune applicazioni potenziali possono includere modelli probabilistici sfruttando la memristors chiodare il comportamento, lo sviluppo di approcci per eseguire l stateful di esecuzioneoperazioni Logic e modellazione processi neurologici per l’archiviazione di informazioni e elaborazione.
Protocol
Representative Results
Discussion
Questa carta ha presentato un metodo per la coltivazione memristors fuori il mixomicete il p. polycephalum. L’organismo è cresciuto all’interno di recipienti di stampati 3D che sono stati progettati per superare alcuni dei limiti che sono associati all’implementazione del bio-memristors. Tali limitazioni includono il tempo di setup, tempo di crescita del campione e mancanza di standardizzazione per le condizioni di crescita di campione a campione e osservazioni elettriche.
Il nostro recipiente è stato rivelato nel 2015 nel materiale pubblicitario stampato per il 2016 penisola Arts Contemporary Music Festival (PACMF) e il rispettivo sito Web15. Qui, la nostra tecnologia è stata usata per sviluppare un sistema di musica interattiva di hardware-bioware ibrido che è stato in grado di generare gli accompagnamenti musicali per un musicista dal vivo. In riferimento14, abbiamo riportato sul test approfonditi del nostro ricettacolo e confrontato i risultati contro precedenti approcci9,10. A seguito di questi sviluppi, un altro gruppo di ricercatori successivamente esplorato creando ambienti di crescita per lo studio thermistive proprietà16 dell’organismo, ma queste non sono le stesse proprietà di memristive. Ci sono, tuttavia, solo stati due altri tentativi di sviluppare un approccio controllato ad attuare il p. polycephalum memristors13,17. In questi esperimenti, pozzi sono stati realizzati in un materiale simil-gel biocompatibile elastomero chiamato polidimetilsilossano (PDMS), e gli elettrodi sono stati creati utilizzando vari metalli o poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS). Anche se questi materiali sono abitualmente utilizzati in elettronica, microfluidica e ingegneria bionico, sono costosi e richiedono alcune competenze da utilizzare. Ad esempio, PEDOT:PSS ha bisogno di rivestimento per rotazione e anti-doping per migliorare la sua conducibilità. Di conseguenza, le tecniche sono fuori portata per le persone che non hanno accesso a risorse specialistiche. I recipienti presentati in questo articolo utilizzano metodi e materiali che sono facilmente accessibili e poco costoso. Inoltre, il design offre un ambiente ospitale per il plasmodio all’habitat, che è in contrasto con gli altri il p. polycephalum memristor prototipi dove è stato effettuato nessun tentativo di mantenere viva la cella per qualsiasi durata di tempo.
Fino ad ora, è stato difficile ottenere misure coerenti I-V utilizzando metodi precedenti per la coltura dell’organismo su piastre di Petri (Figura 5, sinistra). I nostri metodi sono migliorato significativamente questo scenario (Figura 6). I risultati del nostro recipiente test hanno dimostrato che il design ha ridotto il tempo di crescita, ha aumentato la durata della vita, standardizzata le risposte componente e creato un microambiente protetto per incapsulare l’organismo. Inoltre, il dispositivo fornisce mezzo fattibile per integrare l’organismo come un componente di uno schema elettrico.
Il metodo proposto consente di attenuare una serie di questioni legate alla sfruttando il p. polycephalum memristors all’interno di impianti elettrici. Esistono, tuttavia, limiti che richiedono un’ulteriore ricerca e sviluppo. In primo luogo, condensazione può raccogliere sulla superficie interna del tubo di collegamento se i recipienti sono sottoposti ad un rapido cambiamento di temperatura o se viene applicata una tensione elevata per lunghi periodi. Quest’ultimo è dovuto la resistenza dell’organismo alta causando energia elettrica per essere trasferito in calore. Se significativa, la condensa può creare un percorso di resistente basso tra i due elettrodi alle estremità del tubo di raccordo. Questa limitazione può essere gestita efficacemente assicurando che la memristors non siano sovraccaricati. In secondo luogo, la resistenza complessiva di memristors prodotta utilizzando il metodo proposto può variare da componente a componente. Tale fenomeno può essere un risultato dell’approccio non limitando il diametro esterno del tubo protoplasmatico. Di conseguenza, gli utenti potrebbero dover incorporare un processo di calibrazione nella loro applicazione della memristors.
Grazie a questa metodologia, possiamo ora cominciare a studiare i processi biologici che provocano le osservazioni memristive nel p. polycephalum. È probabile che tali processi hanno parametri dinamici che potremmo essere in grado di sfruttare per aumentare l’utilizzo dell’elemento. Abbiamo iniziato in esecuzione alcuni esperimenti preliminari in cui sono alterate concentrazioni di ioni extracellulari a rivedere se canali ionici voltaggio-dipendenti svolgono un ruolo nella memristance.
I recipienti presentati sono stati progettati esclusivamente per il p. polycephalum memristors di esecuzione. Questi dispositivi sono probabili, tuttavia, avere usi di là di quella di implementazione di un singolo componente. Ad esempio, in riferimenti12,18, il tubo protoplasmica è stato studiato come un filo biologico autoassemblanti e ripristino automatico. In entrambe queste indagini, i ricercatori hanno espresso che era necessario ulteriore lavoro per stabilire metodi di coltivazione il tubo protoplasmica secondo uno schema. I recipienti ha presentato in questa carta forniscono un metodo di delineare la produzione del tubo tra due, o potenzialmente più punti. La figura 7 Mostra due fotografie che illustrano che i recipienti possono essere utilizzati per crescere sani tubi alle lunghezze più di 100 mm. In riferimento18, è stata studiata la funzione di trasferimento del tubo protoplasmatica. Risultati da questa indagine hanno indicato che l’agar richiesto per coltivare i tubi può causare un problema se l’organismo è stato quello di essere integrato in un impianto elettrico. Ciò è dovuto la capacità del substrato. I recipienti presentati qui ancora richiedono agar in modo da mantenere l’umidità alta. Tuttavia, con piccole modifiche al design di presa, è possibile creare un tubo staccabile. Questo set up può permettere per il tubo essere disconnessi dalle camere una volta che la crescita è completa e ritagliato in un impianto elettrico. Inoltre, una volta che la salute del tubo inizia a deteriorarsi, potrebbe essere ricollegato al nuovi alloggiamenti per cibo e tregua, finché ha riparato e può essere utilizzato nuovamente. Figura 8 Mostra una foto di tubi lunghi che sono stato disconnesso dalle camere. La ricerca futura è necessaria per studiare le proprietà elettriche del tubo protoplasmica senza l’agar e quando coltivate alle lunghezze usando il metodo proposto.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questa ricerca è stata finanziata dalla scuola di scienze umanistiche dell’Università di Plymouth e Performing Arts. Gli autori desidera ringraziare Functionalize per la fornitura di campioni del loro PLA conduttivo.
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
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