Un método para el cultivo de Bio-memristores de molde de limo
Summary
Este trabajo presenta un método mejorado para el cultivo de bio-memristores de plasmodium de Physarum polycephalum. Este método ha demostrado disminuir el tiempo de crecimiento, aumentar la vida útil del componente, estandarizar observaciones eléctricos y crear un ambiente protegido que puede integrarse en circuitos convencionales.
Abstract
Nuestra investigación está orientada a obtener una mejor comprensión de las propiedades electrónicas de los organismos con el fin de diseñar nuevos sistemas bioelectrónicas y arquitecturas informáticas basadas en biología. Este trabajo específico se centra en aprovechar el molde de limo unicelular Physarum polycephalum desarrollar bio-memristores (o memristores biológica) y dispositivos de bio-informática. El memristor es una resistencia que posee memoria. Es el 4 º circuito pasivo fundamental elemento (los otros tres son el resistor, el capacitor y el inductor), que está allanando el camino para el diseño de nuevos tipos de sistemas informáticos; por ejemplo, los equipos que podría renunciar a la distinción entre almacenamiento y una unidad central de procesamiento. Cuando se aplica con un voltaje de CA, la corriente vs característica del voltaje de un memristor es un lazo de histéresis pinchado. Se ha demostrado que p. polycephalum produce lazos de histéresis aprisionamiento bajo voltajes de CA y muestra un comportamiento adaptativo que es comparable con el funcionamiento de un memristor. Este trabajo presenta el método que hemos desarrollado para la aplicación de bio-memristores con p. polycephalum y presenta el desarrollo de un receptáculo para el organismo, lo que facilita su despliegue como un componente de circuito electrónico de la cultura. Nuestro método ha demostrado disminuir el tiempo de crecimiento, aumentar la vida útil del componente y estandarizar eléctricos observaciones.
Introduction
Computadoras de hoy se construyen utilizando los tres elementos fundamentales circuito pasivo de dos terminales: el condensador, la resistencia y el inductor. Elementos pasivos sólo son capaces de disipar o almacenamiento de energía, no generarla. Estos elementos se establecieron en la 18th ydel siglo 19 y se ligan a través de las ecuaciones de Maxwell. Definimos cada uno de estos componentes de tres circuito en términos de su relación entre dos de las variables del circuito de cuatro, a saber, corriente (I), voltaje (V), carga (Q) y acoplamiento de flujo (φ). La carga es el integral del tiempo de la corriente y ley de Faraday define la tensión como la integral de tiempo del flujo. Así, un condensador se define por una relación entre el voltaje y la carga, una resistencia se define por una relación entre voltaje y corriente, y el inductor es definido por una relación entre flujo y corriente. Para bien sobre un siglo, estos elementos fueron una piedra angular de la electrónica. Sin embargo, representan sólo tres de los posibles pares de cuatro relación entre las variables del circuito, dejando flujo-acoplamiento y carga disociados. En 1971, Leon Chua publicó un papel1 donde él postuló que había un cuarto elemento que falta que las dos variables restantes, que él llamó el memristor. El memristor puede ser descrito como un resistor que recuerda su historia, por lo tanto la contracción ‘resistencia memoria.’ Funciones de este elemento, alterando su resistencia según la magnitud del voltaje aplicado previamente y su duración. Por otra parte, el memristor conserva su último estado de la resistencia una vez que ya no se aplica la tensión. A diferencia del condensador, resistor y inductor, comportamiento del memristor es no lineal, que es evidente en su perfil-V donde se forma un lazo de histéresis aprisionamiento bajo una tensión de CA. Este circuito toma la forma de una figura de Lissajous que contiene dos oscilaciones perpendiculares de Estados resistentes a altas y bajas. Antes teoría de memristance formalizado de Chua, otros investigadores habían informado sobre los efectos de memoria de la resistencia a ciertas frecuencias cuando experimentar con materiales tales como polímeros y óxidos metálicos, junto con el desarrollo de dispositivos eléctricos en el micrómetro escala2. Sin embargo, en muchos casos, estos efectos fueron considerados indeseables. Tardó casi cuarenta años para formalización de Chua para conectarse a un dispositivo físico y para los investigadores comenzar a desarrollar métodos de explotar efectos de memristive. Un equipo en los laboratorios de HP tuvo éxito en la fabricación de un dispositivo de memristive en 20083 que encendió el enorme interés en el elemento.
Científicos de la computación tienen un gran interés en el memristor debido a que se acredita como el primer elemento para combinar capacidades de procesamiento y memoria en una sola unidad. También muestra comportamientos que son análogas a ciertos procesos neurológicos como Spike-tiempo-dependiente de la plasticidad (STDP)4, por nombrar uno. Tales conductas están dando lugar a perspectivas de construir cerebro-como tecnologías de computación que renunciar a la distinción entre la memoria y la unidad central de procesamiento (o CPU)5. En contraste con los enfoques populares al desarrollo de memristores (con TiO2, por ejemplo), nuestra ambición es desarrollar un memristor de bio orgánico. Además, estamos interesados en cómo este componente puede proporcionar medios de explorar paradigmas más allá de los enfoques convencionales para dispositivos informáticos de ingeniería; por ejemplo, aplicaciones creativas en el campo de la música por ordenador6.
Memristance es un efecto que los investigadores han descubierto recientemente en toda una gama de sistemas biológicos. Por ejemplo, se han observado propiedades memristive en aloe vera plantas7 y piel humana8para citar sino dos. Estos descubrimientos indican que es posible implementar dispositivos de procesamiento y memoria en los substratos biológicos. Aprovechamiento de sistemas orgánicos dentro de la tecnología puede permitir a nosotros para explorar conceptos interesantes tales como uno mismo-Asamblea, reparación automática y de bajo impacto ambiental y la alimentación. Antes de que podemos investigar estas oportunidades sin embargo, varios retos deben abordarse. Muchos de los sistemas biológicos que tienen propiedades memristive tienen importantes limitaciones que limitan su viabilidad como un componente electrónico real. Por ejemplo, una hoja de aloe vera7 necesita luz, tiene una vida útil limitada y sería difícil de integrar en un circuito. Además, varios otros en vivo memristive fenómenos, tales como conductos de sudor humano8, no son opciones factibles en la actualidad para el desarrollo de sistemas para su uso fuera del laboratorio y en sistemas electrónicos todos los días. Sin embargo, de todos los fenómenos de memristive, hay un candidato de potenciales: p. polycephalum.
El plasmodium p. polycephalum es un sistema unicelular amorfo que se ha descubierto como un componente de memristive9,10. Este microorganismo es un candidato ideal para la investigación en electrónica de hardware wetware híbrido para un número de razones. En primer lugar, el organismo es macroscópico, no patógenas y no exige el uso de equipo de especialista, que hace accesible a los ingenieros y biólogos no el plasmodium. En segundo lugar, la célula es amorfa, forma redes de cable-como las venas y crecerá en la mayoría de sustratos (figura 1). Estas propiedades permiten la morfología de la célula delinear fácilmente para ajustarse a un esquema eléctrico convencional. También hay investigaciones que demuestran que el plasmodium puede vivir por más de cuatro años11, y que sus venas pueden actuar como uno mismo-reparación vías conductoras12. Varios estudios de laboratorio han confirmado memristive habilidades9,10,13 del organismo y ahora es hora de explorar su potencial.
La idea de usar P. polycephalum memristores es relativamente nuevo. Como resultado, hay no hay normas establecidas para la medición y observación de sus características eléctricas. Falta de uniformidad en procedimientos experimentales del mismo grupo y entre grupos puede ser la razón que hay incongruencias entre publicado resultados9,10. Es probable que dicha variación es más prominente en su manejo y las condiciones de crecimiento de la muestra. Así, debemos establecer métodos para la producción y pruebas memristores de p. polycephalum donde factores que podrían causar errores son mejor controlado y supervisado. Además, tenemos que crear métodos de aplicación de p. polycephalum memristores que permiten estable y fácil integración en sistemas eléctricos.
El método presentado en este artículo proporciona una plataforma para la exploración de aplicaciones prácticas de p. polycephalum memristores proporcionando medios de incorporar el organismo como un componente en un diagrama eléctrico esquemático. Es probable que estas técnicas serán de interés para ingenieros buscan para explorar aplicaciones reales de sistemas de hardware wetware híbridos. Además, es accesible a los no expertos (por ejemplo, los entusiastas de prototipos electrónicos de código abierto) que puede estar interesado en experimentar con aspectos de la computación no convencional pero les ha resultado difícil encontrar prototipos para adaptarse a sus necesidades. Algunas aplicaciones potenciales pueden incluir modelos probabilísticos aprovechar los memristores clavar comportamiento, desarrollar enfoques a realizar con lunifo operaciones, modelado de procesos neurológicos para almacenamiento de información y procesamiento.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este trabajo presenta un método para el cultivo de memristores de mixomicetos p. polycephalum. El organismo se cultiva dentro de 3D impresos receptáculos que se diseñaron para superar algunas de las limitaciones que están asociadas con la implementación de la bio-memristores. Tales limitaciones incluyen tiempo de preparación, tiempo de crecimiento de la muestra y falta de estandarización para las condiciones de crecimiento de muestra a muestra y eléctricos observaciones.
Nuestro receptáculo primero fue revelado en el año 2015 en el material de publicidad impresa para la península arte contemporáneo música Festival 2016 (PACMF) y sitio web respectivo15. Aquí, nuestra tecnología se utilizó para desarrollar un sistema de música interactiva de bioware hardware híbrido que fue capaz de generar acompañamientos musicales a un músico vivo. En la referencia14, informó sobre las pruebas extensas de nuestro recipiente y compararon los resultados con los anteriores enfoques9,10. Tras estos acontecimientos, otro grupo de investigadores posteriormente explorado creando ambientes de crecimiento para el estudio thermistive propiedades16 del organismo, pero estos no son los mismos que memristive propiedades. Sin embargo, sólo ha habido dos otros intentos de desarrollar un enfoque controlado a la aplicación de p. polycephalum memristores13,17. En estos experimentos, pozos fueron hechos de un material elastómero biocompatible gelatinoso llamado polidimetilsiloxano (PDMS), y electrodos fueron creados utilizando diferentes metales o poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PSS). Aunque estos materiales se utilizan habitualmente en ingeniería biónica, microfluídica y electrónica, que son costosos y requieren algunos conocimientos a utilizar. Por ejemplo, el PSS necesita spin-coating y dopaje para mejorar su conductividad. Por lo tanto, las técnicas están fuera del alcance de personas que no tienen acceso a los recursos especializados. Las tomas presentadas en este artículo utilizan métodos y materiales que son de fácil acceso y bajo costo. Además, el diseño proporciona un ambiente acogedor para el plasmodium a habitat, que está en contraste con los otros prototipos de memristor de p. polycephalum donde no se intentó mantener la célula viva de cualquier duración de tiempo.
Hasta ahora, ha sido difícil obtener mediciones consistentes V anteriores métodos para cultivar el microorganismo en placas de Petri (figura 5, izquierda). Nuestros métodos de mejoraron significativamente este escenario (figura 6). Los resultados de nuestro receptáculo pruebas han demostrado que el diseño ha disminuido el tiempo de crecimiento, mayor vida útil, estandarizado de respuestas componentes y creado un microambiente protegido para encapsular el organismo. Además, el dispositivo proporciona medios factibles de integrar el organismo como componente de un esquema eléctrico.
El método presentado alivia una serie de cuestiones relacionadas con el aprovechamiento de p. polycephalum memristores dentro de sistemas eléctricos. Sin embargo, existen limitaciones que requieren más investigación y desarrollo. En primer lugar, condensación puede recoger en la superficie interna del tubo de conexión si los recipientes están sometidos a un rápido cambio de temperatura o si se aplica un alto voltaje para las duraciones largas. El último es debido a alta resistencia del organismo haciendo que la energía eléctrica transferida en calor. Si significativo, la condensación puede crear una vía baja resistente entre los dos electrodos en los extremos del tubo de conexión. Esta limitación se puede manejar con eficacia garantizando que no se sobrecarguen los memristores. En segundo lugar, la resistencia total de memristores producida utilizando el método presentado puede variar de componente a componente. Este fenómeno puede ser el resultado del enfoque no restringiendo el diámetro externo del tubo protoplásmico. En consecuencia, los usuarios deba incorporar un proceso de calibración de la aplicación de los memristores.
Gracias a esta metodología, podemos empezar ahora a estudiar los procesos biológicos que están causando memristive observaciones de p. polycephalum. Es probable que tales procesos tengan parámetros dinámicos que podamos explotar para aumentar el uso del elemento. Hemos comenzado a ejecutar algunos experimentos preliminares donde se alteran las concentraciones extracelulares de iones para revisar si un papel de canales voltaje-bloqueados del ion en memristance.
Los recipientes presentados fueron diseñados exclusivamente para la implementación de p. polycephalum memristores. Estos dispositivos suelen, sin embargo, tener aplicaciones más allá de la aplicación de un solo componente. Por ejemplo, en referencias12,18, el protoplásmico tubo fue estudiado como una uno mismo-montaje y reparación automática alambre biológica. En tanto estas investigaciones, los investigadores expresaron que era necesario seguir trabajando para establecer métodos de cultivo el protoplásmico tubo según un esquema. Las tomas presentadas en este documento proporcionan un método de delinear la producción del tubo entre dos, o potencialmente más puntos. La figura 7 muestra dos fotografías que ilustran que los recipientes pueden utilizarse para crecer sanos tubos en longitudes de más de 100 mm. En referencia18, se investigó la función de transferencia del tubo protoplásmica. Los resultados de esta investigación indicaron que el agar necesario para crecer de los tubos puede causar un problema si el organismo iba a integrarse en un sistema eléctrico. Esto es debido a la capacitancia del sustrato. Las tomas presentadas aquí requieren todavía agar para mantener la humedad alta. Sin embargo, con pequeños cambios al diseño del recipiente, es posible crear un tubo desmontable. Esta configuración puede permitir el tubo a desconectar las cámaras una vez que el crecimiento es completo y recortadas en un sistema eléctrico. Además, una vez que la salud del tubo comienza a deteriorarse, se podría volver a conectarse cámaras nuevas para comida y descanso hasta que se haya reparado y puede ser utilizado otra vez. La figura 8 muestra una fotografía de tubos largos que ha sido desconectado de las cámaras. Se necesitan investigaciones futuras para investigar propiedades eléctricas las protoplásmico del tubo sin el agar y cuando se cultiva en las longitudes utilizando el método presentado.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Esta investigación fue financiada por la Facultad de Humanidades y artes escénicas de la Universidad de Plymouth. Los autores desean reconocer la Functionalize para el suministro de muestras de su conductora 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
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