Метод для выращивания био memristors от миксомицеты
Summary
Этот документ представляет усовершенствованный метод для выращивания био memristors из плазмодия Physarum polycephalum. Такой метод оказался уменьшить время роста, увеличить срок службы компонентов, стандартизации электрических наблюдения и создания защищенной среде, которая может быть интегрирована в обычных схем.
Abstract
Наши исследования направлены на получение лучшего понимания электронных свойств организмов для инженер систем novel биоэлектронного и вычислительной архитектуры, основанные на биологии. Этот конкретный документ фокусируется на освоение одноклеточными миксомицеты Physarum polycephalum развивать био memristors (или биологические memristors) и био вычислительных устройств. Мемристор представляет собой резистор, который обладает памятью. Это 4 основных пассивный элемент схемы (остальные три являются резистор, конденсатор и индуктор), которая прокладывает путь для разработки новых видов вычислительных систем; например, компьютеры, которые могут отказаться от различие между хранением и центрального процессора. При применении с переменного напряжения, тока против напряжения характеристика Мемристор является петли гистерезиса пережат. Было показано, что P. polycephalum производит ущипнул гистерезиса петли под переменного напряжения и отображает адаптивного поведения, которая сопоставима с функционированием Мемристор. Этот документ представляет метод, который мы разработали для реализации био memristors с P. polycephalum и вводит развитие сосуда к культуре организма, которое облегчает развертывание как компонент электронной схемы. Наш метод оказалось сократить время роста, увеличить срок службы компонентов и стандартизации электрических наблюдений.
Introduction
Сегодняшние компьютеры построены с использованием трех элементов двух терминал фундаментальных пассивных цепей: конденсатор, резистор и индуктора. Пассивные элементы способны лишь рассеивать или хранение энергии, не создавая его. Эти элементы были установлены 18-й и 19-го века и связаны через уравнений Максвелла. Мы определяем каждый из этих трех цепи компонентов с точки зрения их отношения между двумя из четырех цепи переменных, ток (I), напряжение (V), заряд (Q) и потокосцепление (φ). Обвинение является время интеграл текущего и Закон Фарадея определяет напряжение как время интеграл потока. Таким образом конденсатор определяется отношением между заряда и напряжения, резистор определяется связь между напряжением и текущих, и индуктор определяется связь между потока и текущий. Вот уже более века эти элементы были краеугольным камнем электроники. Однако они только представляют три из возможных пар 4 отношения между переменными цепи, оставляя потокосцепление и несвязанные заряд. В 1971 году Леон Чуа опубликовал документ1 , где он постулировал, что существует отсутствует четвертый элемент, который связан оставшиеся две переменные, которые он назвал Мемристор. Соль может быть описан как резистор, который не помнит своей истории, поэтому сокращение «памяти резистор.» Этот элемент функции, не изменяя его сопротивление согласно масштабы ранее приложенного напряжения и его продолжительность. Кроме того Мемристор сохраняет свое последнее состояние сопротивления после того, как напряжение больше не применяется. В отличие от конденсаторов, резисторов и индуктора Мемристор поведение нелинейных, которая проявляется в его профиль-V где петли гистерезиса ущипнул формируется под переменного напряжения. Этот цикл принимает форму фигура Лиссажу, содержащий два перпендикулярных колебаниях высокой и низкой устойчивостью государств. До Чуа формализованного memristance теории другие исследователи сообщили по памяти сопротивление воздействию на определенных частотах при проведении экспериментов с материалами такими как полимеры и оксидов металлов, наряду с разработкой электрических устройств в микрометра Масштаб2. Однако во многих случаях эти последствия были считаются нежелательными. Потребовалось почти сорок лет для формализации Чуа должен быть подключен к физическому устройству и для исследователей, чтобы приступить к разработке методов эксплуатации memristive эффекты. Команда в лабораториях HP удалось изготовить устройство memristive в 20083 , которая зажигается огромный интерес в элементе.
Компьютерные ученые проявляют большой интерес в Мемристор из-за его зачисляются как первый элемент объединить памяти и обработки способности в единое целое. Она также отображает поведение, которые аналогичны определенные неврологические процессы, такие как Спайк-время-зависимых пластичности (СТДП)4, имя, но один. Такое поведение порождают перспективы строительства мозга как вычислительных технологий, которых отказываться различие между памяти и центрального процессора (или процессор)5. В отличие от популярных подходов к разработке memristors (с помощью TiO2, например) Наша цель заключается в разработке органического био соль. Кроме того мы заинтересованы в том, как этот компонент может предоставить средства изучения парадигмы за рамки обычных подходов к инженерной вычислительных устройств; например, творческих приложений в области компьютерной музыки6.
Memristance — это эффект, который недавно исследователи обнаружили на протяжении ряда биологических систем. К примеру memristive свойства были отмечены в Алоэ Вера растения7 и кожи человека8, цитировать, но два. Эти находки указывают, что это может быть возможным осуществить обработку и памяти устройства на биологических субстратов. Использование органических систем в технологии могут позволить нам изучить интересные концепции таких как самостоятельной сборки, самостоятельного ремонта, низкого воздействия на окружающую среду и самостоятельного питания. Прежде чем мы можем исследовать эти возможности, однако, некоторые проблемы должны решаться. Многие из биологических систем, которые имеют свойства memristive имеют значительные ограничения, которые их жизнеспособности в качестве фактических электронных компонентов. Например лист Алоэ Вера7 нуждается свет, имеет ограниченный срок службы и будет трудно интегрировать в цепи. Кроме того несколько других в vivo memristive явления, такие как человеческий пот каналы8, не являются в настоящее время практически осуществимых вариантов для разработки систем для использования за пределами лаборатории и в повседневных электронных систем. Однако, из всех явлений, memristive, есть один потенциальный кандидат: P. polycephalum.
Плазмодий P. polycephalum является система аморфного одноклеточными, обнаруженный в качестве memristive компонента9,10. Этот организм является идеальным кандидатом для исследований в области электроники оборудования нервная гибрид для целого ряда причин. Во-первых организм непатогенные, макроскопической и требует использования оборудования не специалист, оказывающий плазмодия доступны для не биологов и инженеров. Во-вторых ячейка аморфных, образует сети вен провод как и будут расти на большинстве субстратов (рис. 1). Эти свойства позволяют морфология ячейки быть легко определены соблюдать обычные электрические схемы. Существует также исследования демонстрируют, что плазмодий может жить в течение более чем четырех лет11, и что его вен может выступать в качестве самостоятельного ремонта проводящих путей12. Некоторые лабораторные исследования подтвердили организма memristive способности9,10,13 , и теперь настало время изучить ее потенциал.
Идея использования P. polycephalum memristors является относительно новым. В результате не существует установленных стандартов для измерения и наблюдения за ее электрические свойства. Такое отсутствие единообразия в экспериментальных процедур в рамках одной и той же группы исследований и между группами может быть, причина, по которой есть несоответствия среди опубликовал результаты9,10. Вполне вероятно, что такой вариант является наиболее заметно в условиях роста образца и обработки. Таким образом нам необходимо создать методы для производства и тестирования memristors P. polycephalum , где факторы, которые могут вызвать ошибки, лучше контролируется и контролироваться. Кроме того нам нужно создать методы реализации memristors P. polycephalum , которые позволяют для стабильной и простой интеграции в электрических систем.
Метод, представленный в настоящем документе предоставляет платформу для изучения практического применения P. polycephalum memristors, предоставляя средства включения организма как компонент в электрической схеме. Вполне вероятно, что эти методы будут обращаться инженеров, желающих изучить реальные использует аппаратные ресурсы гибридных систем. Кроме того, она является доступной для неспециалистов (например, открытым исходным кодом электронной прототипов энтузиастов) кто может быть заинтересован в экспериментировать с аспектами нетрадиционных вычислений, но нашли его трудно найти прототипы адаптироваться к их потребности. Некоторые потенциальные приложения могут включать в себя осуществление вероятностной модели, использование memristors шипование поведение, разработки подходов к выполнению с отслеживанием состояния лOGIC операции и моделирования неврологические процессы для хранения информации и обработки.
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот документ представлен метод для выращивания memristors из myxomycete P. polycephalum. Организм выращивается внутри 3D печатной сосуды, которые были призваны преодолеть некоторые из препятствий, которые связаны с осуществлением био memristors. Такие ограничения включают время настройки, время роста образца и отсутствие стандартизации условий роста образец и электрические наблюдений.
Наши сосуда впервые было обнаружено в 2015 году в печатных рекламных материалов для полуострова Искусство современной музыки фестиваль 2016 (PACMF) и соответствующий веб-сайт15. Здесь наша технология была использована для разработки гибридных оборудования bioware Интерактивные музыкальная система, которая способна генерировать музыкальные аккомпанементы к живой музыкант. В ссылка14мы сообщили о тестирование нашего сосуда и сравнили результаты против предыдущих подходов9,10. После этих событий другая группа исследователей впоследствии изучить создание роста сред для изучения организма thermistive свойства16, но это не то же самое, как memristive свойства. Существуют однако, были только две попытки разработать управляемый подход к реализации P. polycephalum memristors13,17. В этих экспериментах колодцы были сделаны из материала биосовместимых эластомер гель как называется полидиметилсилоксан (PDMS), и электродов были созданы с помощью различных металлов или poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS). Хотя эти материалы обычно используются в электронике, микрофлюидика и бионических инженерии, они стоят дорого и требуют некоторый опыт использования. К примеру PEDOT:PSS необходимо спин покрытие и допинг улучшить его проводимости. Таким образом методы находятся вне досягаемости для людей, которые не имеют доступа к ресурсам специалист. Сосуды, представленные в этой статье используются методы и материалы, которые легко доступны и недороги. Кроме того конструкция обеспечивает гостеприимную атмосферу для плазмодия для Хабитат, который в отличие от других прототипов Мемристор P. polycephalum , где нет попытки сохранить клетки для любого периода времени.
До сих пор было трудно получить измерения последовательной I-V, используя предыдущие методы для культивирования организма на чашки Петри (рис. 5, слева). Наши методы значительно улучшилась этот сценарий (рис. 6). Результаты тестирования нашей сосуда продемонстрировали, что дизайн сократилось время роста, увеличилась продолжительность жизни, стандартизированные ответы компонент и создал защищенный микроокружение для инкапсуляции организма. Кроме того устройство обеспечивает реальным средством интеграции организма как компонент электрической схемы.
Представленный метод устраняет ряд вопросов, связанных с использование P. polycephalum memristors в электрических системах. Есть, однако, ограничения, которые требуют дальнейших исследований и разработок. Во-первых конденсации можно собрать на внутренней поверхности капиллярной трубки, если сосуды подвергаются быстрого изменения температуры или высокого напряжения применяется для длительного времени. Последний является из-за высокого сопротивления организма вызывая электрической энергии переведут в тепло. Если значительный, конденсация может создать низкой устойчивостью путь между двумя электродами на концах соединительную трубу. Это ограничение можно эффективно, обеспечивая, что memristors не перегружены. Во-вторых общее сопротивление memristors, изготавливаются с использованием представленные метод может варьироваться от компонента к компоненту. Такое явление может быть результатом подхода, не ограничивая наружный диаметр protoplasmic трубы. Следовательно пользователям может потребоваться включить процесс калибровки в их применение memristors.
Благодаря этой методологии мы теперь можно начать изучение биологических процессов, которые вызывают memristive наблюдений в P. polycephalum. Вполне вероятно, что такие процессы имеют динамических параметров, которые мы могли бы использовать для расширения использования элемента. Мы начали запуск некоторых предварительных экспериментов, где концентрации внеклеточного ионов изменяются для рассмотрения, если напряжение закрытый ионных каналов играть роль в memristance.
Представленные сосуды были разработаны исключительно для реализации memristors P. polycephalum . Эти устройства, вероятно, однако, иметь использует выходит за рамки осуществления одного компонента. Например ссылки на12,18, protoplasmic трубки изучалась как самостоятельной сборки и самостоятельного ремонта биологических провод. В обоих этих расследований исследователи выразили, что необходима дальнейшая работа для установления методов выращивания protoplasmic трубки по схеме. Сосуды, выдвинутые в этом документе предоставляют метод разграничения производство трубы между точками двух, или потенциально больше. На рисунке 7 показаны две фотографии, иллюстрирующие что сосудов может использоваться вырастить здоровые трубы в длину более чем на 100 мм. В ссылка18был исследован передаточной функции protoplasmic трубки. Результаты этого расследования показали, что агар, необходимые для расти трубы может вызвать вопрос, если организм было быть интегрированы в электрической системы. Это обусловлено емкость субстрата. Сосуды, представленные здесь по-прежнему требуют агар сохранить влажность высокая. Однако с небольшими изменениями в конструкции сосуда, можно создать съемный трубки. Эта настройка может позволить для трубки будет отключен от камер после роста, является полной и подстриженными в электрической системы. Кроме того после того, как трубка здоровья начинает ухудшаться, он может быть подключен к новой камеры для производства продовольствия и отсрочку до тех пор, пока он отремонтированы сам и может снова использоваться. Рисунок 8 показывает фото длинные трубы, которые были отсоединены от камер. Будущие исследования необходимо исследовать protoplasmic трубки электрические свойства без агар и при выращивании на длины с использованием представленные метод.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Это исследование финансировалось Плимут университет Школа гуманитарных наук и искусств. Авторы хотели бы признать Functionalize по поставке образцов их проводящего 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).
