粘菌からバイオ memristors を成長する方法
Summary
粘菌変形体のマラリア原虫からバイオ memristors を成長法の改良について述べる。このようなメソッドは、成長時間を短縮、コンポーネントの寿命を増やす、電気の観測を標準化、従来の回路に統合することができます保護された環境を作成すると証明しました。
Abstract
本研究は、新規バイオエレクトロニクス システムと生物学に基づくコンピューティングのアーキテクチャを設計するために有機体の電子特性のよりよい理解を得ることを目指しています。この特定の用紙は単細胞粘粘菌バイオ memristors (または生物 memristors) を開発するを活用に焦点を当て、バイオ コンピューティング デバイス。Memristor はメモリを所有している抵抗です。それは第 4 回基礎受動回路要素 (他の 3 つは、抵抗器、コンデンサー、およびインダクタ)、新しい種類のコンピューティング システムの設計のための道筋を例えばストレージと中央処理装置の区別を放棄する可能性がありますコンピューター。AC 電圧で適用されると、電流電圧特性、memristor の対はピンチのヒステリシス ループです。それは、フロントダイナミクスの AC 電圧の下でピンチのヒステリシス ループが生成されますされ、適応行動、memristor の機能に匹敵する示されています。本稿では、フロントダイナミクスとバイオ memristors を実装する我々 が開発した手法を提案する, 電子回路コンポーネントとしての展開を容易に有機体の文化に容器の開発を紹介します。本手法は、成長時間を短縮、コンポーネントの寿命を増加および電気観測を標準化する証明されています。
Introduction
今日のコンピューターの 3 つの 2 端子基礎受動回路素子を使用して構築: コンデンサー、抵抗、およびインダクタ。受動素子が消かそれを生成しない、エネルギーを蓄積することができるのみです。これらの要素は、18番目と19 世紀に設立された、マクスウェル方程式を介してリンクされます。我々 は 2 つ 4 つの回路変数の間の関係の面でこれらの 3 つの回路のコンポーネントのそれぞれを定義すなわち、(I) 電流、電圧 (V)、電荷量 (Q)、磁束 (φ)。料金は電流の時間積分とファラデーの法則は、フラックスの時間積分として電圧を定義します。したがって、コンデンサーの電圧と電荷の関係によって定義されます、抵抗器は、電圧と電流の関係によって定義およびインダクタはフラックスとの関係で定義され現在。世紀以上も、これらの要素は、エレクトロニクスの基礎だった。ただし、彼らはのみ 3 つのフラックス ・ リンクとリンク解除料金を残して回路変数間可能性のある 4 つの関係のペアを表します。1971 年に Leon Chua は、彼は彼は、memristor と呼ばれる残りの 2 つの変数をリンクされている不足している 4 番目の要素があったことを仮定した紙1を公開しました。Memristor をすることができます収縮 ‘メモリ抵抗’ その歴史を覚えている抵抗として記載されています。この要素は以前に適用された電圧とその期間の大きさによると、その抵抗を変えることによって機能します。また、電圧が適用されなくなった後、memristor はその最後の抵抗の状態を保持します。異なり、コンデンサー、抵抗器、インダクタ、memristor の行動は非線形、AC 電圧の下でピンチのヒステリシス ループを形成する、その – V プロファイルで明らかです。このループは、高と低抵抗状態の 2 つの垂直振動を含むリサージュ図の形式をとります。チュアの形式化された memristance 理論の前にポリマーやマイクロメータで電気機器の開発と共に、金属酸化物などの材料を試してみるときは、メモリ抵抗効果特定の周波数でので他の研究者の報告していたスケール2。ただし、多くの場合、これらの効果は望ましくない考慮されました。メムリスティブ効果を悪用する手法を開発する研究者、物理デバイスに接続するチュアの形式化のためほぼ 40 年かかった。HP 研究所のチームは、要素の大きな関心を点火 2008年3メムリスティブ デバイスを製造に成功しました。
コンピューター科学者は、memristor 単一ユニットの処理とメモリの能力を結合する最初の要素としてクレジットされてそれのために強い関心を持ってください。また、スパイク タイミング依存可塑性 (STDP) など4名が 1 つの特定の神経学的なプロセスに類似している動作が表示されます。このような行動は、5メモリ、中央処理装置 (CPU) の区別を放棄する脳のようなコンピューティング技術を構築の視点に上昇を与えています。(たとえば TiO2を使用して) memristors を開発する一般的なアプローチとは対照的私たちの野心、有機バイオ-memristor を開発します。さらに、このコンポーネントが工学コンピューティング デバイスへの従来のアプローチを超えてパラダイムを探るための手段を提供する方法に興味があります。例えば、コンピューター音楽6の分野で創造的なアプリケーション。
Memristance は、研究者は生物学的システムの範囲で最近発見した効果です。たとえば、メムリスティブ プロパティは、アロエベラ植物7と人間の皮8、引用するが、2 つで観察されています。これらの発見は、生物学的基板上への処理およびメモリ デバイスを実装することが可能があることを示します。テクノロジ内で有機体システムを活用ができるよう自己刺激的な概念を探求する私たち、自己修復、低環境負荷と電源投入自己。しかしこれらの機会を用いて、いくつかの課題に対処する必要があります。メムリスティブ プロパティを持つ生物学的システムの多くは、実際の電子部品として彼らの生存率を制限する大きな制約があります。たとえば、アロエベラ葉7は、光を必要し、限られた寿命を持つ回路に統合することは困難になります。さらに、いくつかその他体内メムリスティブ現象、人間の汗管8などは日常の電子システム、実験室の外の使用のためのシステムを開発するために現在実行可能なオプション。しかし、すべてのメムリスティブ現象の 1 つの潜在的な候補がある:フロントダイナミクス。
フロントダイナミクスのマラリア原虫はメムリスティブ コンポーネント9,10として発見されている非晶質の単細胞系です。この生物は、さまざまな理由でハイブリッド ハードウェア人間の頭脳のエレクトロニクスの研究のための理想的な候補です。まず、有機物は非病原性、マクロ、レンダリング、マラリア原虫をエンジニアや非生物学者にアクセス可能な専門装置の使用は必要ありません。第二に、セルは非晶質では、ワイヤーのような静脈のネットワークを形成、ほとんど基板 (図 1) に成長します。これらのプロパティは、セルの形態は、従来の電気方式に合わせて簡単に線引きすること。また、マラリア原虫が 4 年11、生きることができるし、の静脈が自己補修型導電性経路12として機能できることを示す研究があります。いくつかの研究は、生物のメムリスティブ能力9,10,13を確認しているし、今がその可能性を探るに熟した。
Pを使用してのアイデア。体memristors は比較的新しいです。その結果、測定及びその電気特性に対する確立された標準がないです。同じ研究グループ内およびグループ間の実験プロシージャの均一性のない理由の中に矛盾がある掲載結果9,10があります。このような変化はサンプルの成長条件と処理で最も顕著なそうです。したがって、我々 は製造方法を確立する必要があります、制御エラーを引き起こす可能性のある要因がより良いフロントダイナミクスmemristors をテストし、監視します。 さらに、我々 は電気システムに安定性と容易な統合を可能にするフロントダイナミクスmemristors を実装するためのメソッドを作成する必要があります。
本稿で紹介した方法は、電気回路図にコンポーネントとして有機物を組み込むための手段を提供することによってフロントダイナミクスmemristors の実用的なアプリケーションの探査のためのプラットフォームを提供します。これらの技術が実際使用するハイブリッド ハードウェア人間の頭脳系を探索する探しているエンジニアにアピールする可能性が高いです。さらに、それは非専門家 (例えば、オープン ソース電子プロトタイピング愛好家) にアクセスできる人は、型破りなコンピューティングの側面での実験に興味があるかもしれないに適応するプロトタイプを見つけるは難しいそれを発見した、必要があります。スパイク動作、ステートフルな l を実行するアプローチを開発 memristors を活用する確率モデルを実装するいくつかの潜在的なアプリケーションが含まれますogic 操作と情報ストレージの神経学的なプロセスのモデリングと処理します。
Protocol
Representative Results
Discussion
この論文では、myxomyceteフロントダイナミクスから memristors を成長のための方法を発表しました。生物は、バイオ memristors を実装に関連付けられている制約のいくつかを克服するために設計された 3 D 印刷容器の中栽培されています。このような制限は、セットアップ時間、サンプル成長時間サンプル – 成長条件と電気の観測のための標準化の欠如をなど。
私たちのコンセントは、最初半島芸術現代音楽祭 2016 (PACMF)、それぞれのウェブサイト15印刷された広報資料で 2015 年に明らかになった。ここでは、当社の技術を使用して開発したライブ音楽家に音楽の伴奏を生成可能なハイブリッド ハードウェア バイオウェア社インタラクティブな音楽システム。参照14では、私たちのレセプタクルの広範なテストの報告し、以前のアプローチ9,10に対して結果を比較しました。こうした研究者の別のグループはその後研究生物の thermistive プロパティ16に作成の成長環境を探検が、これらはメムリスティブ プロパティと同じではありません。フロントダイナミクスmemristors13,17を実装するための制御方法の開発を他の 2 つの試みがあるだけされてただし。これらの実験で井戸がポリジメチルシロキサン (PDMS) と呼ばれるゲル状の生体適合性エラストマー材料からなされ、電極は、様々 な金属や poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) を使用して作成されました。これらの材料は、エレクトロニクス、マイクロ、バイオニック技術で使用されることが日常的に、彼らは、高価とを使用するいくつかの専門知識を必要とします。たとえば、PEDOT:PSS、導電性を改善するためにスピン コーティングとドーピングが必要。したがって、技術、専門家のリソースへのアクセスを持っていない人々 のため届かない。この記事で紹介した容器は、方法および容易にアクセス、安価な材料を使用します。さらに、デザインは、時間の任意の期間のセルを維持する試みは作られてない他のフロントダイナミクスmemristor プロトタイプと対照をなしてある生息地にマラリア原虫の快適な環境を提供します。
今までは、ペトリ皿 (図 5、左) の有機物を培養するため上記の方法を使用して一貫性のある V の測定値を得ることが困難だった。私たちのメソッドはこのシナリオを大幅に向上 (図 6)。設計は成長時間を減少、寿命を増加、構成要素の反応を標準化、有機物をカプセル化する保護された微小環境を作成私たちのコンセントのテストの結果を示しています。さらに、デバイスは、電気方式のコンポーネントとして有機物を統合する可能な手段を提供します。
提案手法では、電気システム内フロントダイナミクスmemristors を利用することに関連する問題の数が軽減されます。しかし、さらに研究・開発を必要とする制限があります。まず、結露は、コンセントが迅速な温度変化を受ける場合、または高電圧長期間にわたって接続チューブの内面に収集できます。後者は生物の高抵抗が発生する電気エネルギーの熱に転送するためです。、重要な場合、結露は、接続チューブの両端に 2 つの電極間の低耐性経路を作成できます。この制限は、memristors がオーバー ロードされていないことを確保することによって効果的に管理できます。第二に、コンポーネント – から memristors 提案手法を使用して生産の全体的な抵抗があります。このような現象は、原形質流動の管の外径を制限しないアプローチの結果可能性があります。その結果、ユーザーは、memristors の応用に校正プロセスを組み込む必要があります。
この方法のおかげで我々 は今フロントダイナミクスメムリスティブ観測の原因となっている生物学的プロセスの研究を開始できます。このようなプロセスが利用できるかもしれない動的パラメーターをそれは要素の使用を強化します。我々 は、電位依存性イオン チャネルが memristance の役割を果たす場合を確認する細胞外のイオン濃度を変更する、いくつかの予備的な実験を実行して始めています。
提示された容器がフロントダイナミクスmemristors を実装するためにのみ設計されています。これらのデバイスが、しかし、以外にも 1 つのコンポーネントを実装するための使用を持っています。たとえば、参照12,18, 原形質流動管は自己組織化と自己修復の生物学的線として検討しました。両方これらの調査で研究者を示したスキームに従って原形質のチューブを成長の方法を確立するさらなる作業が必要であります。この論文で提唱のレセプタクルは、2 つ、または可能性のある複数の点の間の管の生産の輪郭を描く方法を提供します。図 7は、健康的な管の長さを成長するコンセントが使えるを示す 2 枚の写真を示しています 100 mm 以上。リファレンス18、原形質流動のチューブの伝達関数を調べた。この調査から有機体が電気システムに統合する場合チューブを成長に必要な寒天が問題を引き起こす可能性があることを示唆しました。これは基板の容量です。ここに示す容器はまだ高い湿度を保つために寒天を必要とします。ただし、レセプタクルの設計への小さな変更、取り外し可能なチューブを作成することが可能です。このセットアップは、成長が完了し電気システムにクリップされたチャンバーから切断する管用可能です。さらに、チューブの健康悪化し始めると、一度それに再接続する食品や休息のための新しい部屋自体が、修理して再使用できるまで。図 8は、チャンバーから切断されている長い管の写真を示しています。今後の研究は、原形質流動管の電気的特性提示法を用いた長さで成長して、寒天なしを調査するため必要です。
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、プリマス大学人文芸能学校で賄われていた。著者は、その導電性 PLA のサンプルを提供するため Functionalize を認識したいと思います。
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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