Name: Eine Methode für den Anbau von Bio-Memristoren von Slime Mold (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-11-02T12:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 46 s
Description: Erfahren Sie die Kultivierung von Bio-Memristoren aus Physarum polycephalum für biologisches Computing. Diese Methode ermöglicht Nicht-Experten den Zugang zu unkonventionellen Rechensystemen.

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Diese Forschung wurde durch Plymouth University School of Humanities und darstellende Kunst finanziert. Die Autoren möchten Functionalize anerkennen, für die Bereitstellung von Proben von ihren leitenden PLA.

1. Herstellung von 3D gedruckt-Buchse <ol><li>Kammern, Deckel und Unterteil <ol><li>Last ein 3D Drucker mit High-Impact Polystyrol (HIPS) mithilfe der Druckerschnittstelle Druckbett Temperatur auf 85 ° C einstellen und dem Extruder bis 230 ° C. Wenn die Temperaturen erreicht sind, lösen Sie die Spannrolle Arm, legen Sie das Filament und herunterdrücken Sie, bis es anfängt zu extrudieren aus dem heißen Ende. Dann ziehen Sie den Faden idler Arm und entfernen Sie das extrudierte Material.</li>
		<li>Importieren die 3D Aufnahme-STL-Modell-Datei in eine 3D Druck schneiden Software, die normalerweise durch Navigieren auf der Registerkarte "Datei" und wählen Sie importieren/öffnen-Optionen ( Abbildung 2) erreicht werden kann.</li>
		<li>Wenn schneiden Software hohe und niedrige Qualität Druckeinstellungen bietet wählen Sie hohen Qualität zu gewährleisten, dass das richtige Material Profil ausgewählt ist. 
		Hinweis: Wenn mehrere Gefäße in einem Arbeitsgang Drucken ist darauf achten, dass die Software soll jedes Objekt einer gleichzeitig drucken. Wenn dieser Schritt übersprungen wird, die Druckqualität kann reduziert werden, die werden wahrscheinlich Toleranz Probleme verursachen, wenn die Teile zusammen passen.</li>
		<li>Sobald der Druckvorgang abgeschlossen ist, warten Sie, bis die Druckbett Temperatur unter 50 ° C ist es, die Teile zu entfernen.</li>
		<li>Mit einem dünnen Draht Pinsel sanft klar die Elektrode-Buchse der Mängel, die Hindernisse verursachen können, wenn die Kammer mit einer Elektrode passend.</li>
	</ol></li> <li>Elektroden <ol><li>ersetzen die Hüften Filament für eine Reinigung Filament und laufen viel des Materials durch den Druckkopf.</li>
		<li>Legen Sie den Drucker mit einer elektrisch leitfähigen Polymilchsäure Säure (PLA) Filament, das eine Volumen-Widerstand von 0,75 Ω-cm oder weniger hat.</li>
		<li>Stellen die Druckbett Temperatur auf 60 ° C und dem Extruder bis 230 ° C (siehe Schritt 1.1.1 zur Orientierung).</li>
		<li>, Wenn die Temperaturen erreicht sind, Extrudieren einige Zentimeter des Fadens durch den Druckkopf. Dieser Prozess wird sichergestellt, dass alle Partikel aus früheren Sitzungen entfernt werden.</li>
		<li>Mit einer 3D Druck schneiden Software, laden Sie die Elektrode STL Datei ( Abbildung 3).</li>
		<li>In den Druckeinstellungen Folgendes angeben: Layer-Höhe = 0,16 mm, Wandstärke = 1,7 mm, unten/oben Dicke = 0,74 mm, Füllung Dichte = 100 % ( Abbildung 4).</li>
		<li>Wenn Drucken mehrere Elektroden in einem Lauf, stellen Sie den Drucker einzeln nacheinander drucken.</li>
		<li>Lassen, einmal gedruckt, die Elektroden auf das Druckbett bis sie auf Raumtemperatur abgekühlt haben. Dadurch wird sichergestellt, das Teil nicht verzogen und deformierte werden.</li>
	</ol></li> <li>Buchse Montage <ol><li>Schlitz eine Elektrode in jede der beiden Kammern. Wenn Schritt 1.1.5 korrekt abgeschlossen ist, sollten die Elektroden in die Kammern ohne viel Kraft gehen.</li>
		<li>Mit einem scharfen Skalpell schneiden Sie ein Stück 10 mm Polyvinylchlorid (PVC) Schläuche (Innendurchmesser 4 mm und 6 mm Außendurchmesser) kümmert sich um sicherzustellen, dass jedem Ende gerade und sauber geschnitten wird.</li>
		<li>Sanft jedes Ende der 10 mm PVC-Schlauch über den Rand der zwei Elektroden zu erleichtern.</li>
		<li>Einmal angeschlossen, die beiden Kammern clip in der Base.</li>
	</ol></li></ol> 2. Gefäß-Vorbereitung und p. Polycephalum Impfung <ol><li>2 % Agar mittlere Vorbereitung <ol><li>2 g-Nährstoff mikrobiologische Agar Pulver in einen 250-mL-Glasflasche genommen.</li>
		<li>100 mL entionisiertem Wasser hinzufügen und gut verrühren.</li>
		<li>Autoklaven der Flasche für 12-15 min bei 121 ° C oder Platz in einem kochenden Wasserbad für 15-20 min.</li>
	</ol></li> <li>Einstellung der Agar-Substrat in die Urne &#39; s Kammern <ol><li>Agar mit einem Wasserbad oder in der Mikrowelle schmelzen.</li>
		<li>Füllen Sie eine 2-mL-Pipette mit geschmolzenen Agar.</li>
		<li>Das Gefäß zu füllen &#39; s Kammern durch die Spitze der Pipette ca. 5 mm über die interne Basis schweben und langsam füllt die Brunnen bis zum Boden der Verbindung Rohr Loch.</li>
		<li>Sofort nach dem Befüllen der Brunnen, Deckel auf jede der Kammern und das Gefäß beiseite, bis der Agar gesetzt und Raumtemperatur erreicht hat.</li>
	</ol></li> <li>P. Polycephalum Impfung <ol><li>legen eine Hafer-Flocken in jede der beiden Kammern.</li>
		<li>Eine 2 mL-Blob Scheinfüßchen aus einem ausgehungerten entfernen (ca. 12 h) Kultur von Plasmodium und legen Sie sie in einer der beiden Kammern. Um schnelles Wachstum zu fördern, versuchen, das Protoplasma aus den aktivsten anterior des Organismus zu nehmen.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Chua, L. O. <a target="_blank" href="http://ccfit.nsu.ru/~tarkov/Memristive%20computing/Chua/Chua1971_Memristor.pdf">Memristor-The Missing Circuit Element.</a> IEEE Transactions on Circuit Theory. 18 (5), 507-519 (1971).</li>
<li>Trefzer, A. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/chapter/10.1007%2F978-3-319-49881-2_6">Memristor in a Nutshell.</a> Guide to Unconventional Computing for Music. , 159-180 (2017).</li>
<li>Strukov, D. B., Snider, G. S., Stewart, D. R., Williams, R. S. <a target="_blank" href="http://www.nature.com/nature/journal/v453/n7191/full/nature06932.html">The missing memristor found.</a> Nature. 453 (7191), 80-83 (2008).</li>
<li>Howard, G., Gale, E., Bull, L., De Lacy Costello, B., Adamatzky, A. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/pdf/1212.3441.pdf">Evolution of plastic learning in spiking networks via memristive connections.</a> IEEE Transactions on Evolutionary Computation. 16 (5), 711-729 (2012).</li>
<li>Sah, M. P., Kim, H., Chua, L. O. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/6744690/">Brains are made of memristors.</a> IEEE Circuits and Systems Magazine. 14 (1), 12-36 (2014).</li>
<li>Miranda, E. R., Kirke, A., Braund, E., Antoine, A. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/chapter/10.1007%2F978-3-319-49881-2_2">On Unconventional Computing for Sound and Music.</a> Guide to Unconventional Computing for Music. , 23-62 (2017).</li>
<li>Volkov, A. G., Tucket, C., Reedus, J., Volkova, M. I., Markin, V. S., Chua, L. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24556876">Memristors in plants.</a> Plant Signal Behav. 9 (2), 37-41 (2014).</li>
<li>Grimnes, S., Lütken, C. A., Martinsen, ØG. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/chapter/10.1007%2F978-3-642-03885-3_193">Memristive properties of electro-osmosis in human sweat ducts.</a> World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering, September 7-12, 2009, Munich, Germany. , 696-698 (2009).</li>
<li>Gale, E., Adamatzky, A., de Lacy Costello, B. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/s12668-014-0156-3">Slime Mould Memristors.</a> BioNanoScience. 5 (1), (2014).</li>
<li>Braund, E., Sparrow, R., Miranda, E. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/chapter/10.1007%2F978-3-319-26662-6_34">Physarum-based memristors for computer music.</a> Advances in Physarum Machines. , 755-775 (2016).</li>
<li>Daniel, J. W., Rusch, H. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+pure+culture+of+Physarum+polycephalum+on+a+partially+defined+soluble+medium%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+General+Microbiology%22%5BJournal%5D)">The pure culture of Physarum polycephalum on a partially defined soluble medium.</a> Journal of General Microbiology. 25 (1901), 47-59 (1961).</li>
<li>Adamatzky, A. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/s13534-013-0108-9">Physarum wires: Self-growing self-repairing smart wires made from slime mould.</a> Biomedical Engineering Letters. 3 (4), 232-241 (2013).</li>
<li>Tarabella, G., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2015/sc/c4sc03425b">A hybrid living/organic electrochemical transistor based on the Physarum polycephalum cell endowed with both sensing and memristive properties.</a> Chemical Science. 6 (5), 2859-2868 (2015).</li>
<li>Braund, E., Miranda, E. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1672652916603864">On Building Practical Biocomputers for Real-world Applications: Receptacles for Culturing Slime Mould Memristors and Component Standardisation.</a> Journal of Bionic Engineering. 14 (1), 151-162 (2017).</li>
<li>Peninsula Arts. Peninsula Arts Contemporary Music Festival 2016. , Available from:
 <a target="_blank" href="http://cmr.soc.plymouth.ac.uk/event2016.htm">http://cmr.soc.plymouth.ac.uk/event2016.htm</a> (2017).</li>
<li>Walter, X. A., Horsfield, I., Mayne, R., Ieropoulos, I. A., Adamatzky, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+hybrid+circuits+exploiting+thermistive+properties+of+slime+mould%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+reports%22%5BJournal%5D)">On hybrid circuits exploiting thermistive properties of slime mould.</a> Scientific reports. 6, (2016).</li>
<li>Romeo, A., Dimonte, A., Tarabella, G., D'Angelo, P., Erokhin, V., Iannotta, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+bio-inspired+memory+device+based+on+interfacing+Physarum+polycephalum+with+an+organic+semiconductor%5BTitle%5D)+AND+%22APL+materials%22%5BJournal%5D)">A bio-inspired memory device based on interfacing Physarum polycephalum with an organic semiconductor.</a> APL materials. 3 (1), (2015).</li>
<li>Whiting, J. G., de Lacy Costello, B., Adamatzky, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transfer+function+of+protoplasmic+tubes+of+Physarum+polycephalum%5BTitle%5D)+AND+%22Biosystems%22%5BJournal%5D)">Transfer function of protoplasmic tubes of Physarum polycephalum.</a> Biosystems. 128, 48-51 (2015).</li>
</ol>

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Dieser Vortrag ist einer Methode für den Anbau von Memristoren aus Myxomycete p. Polycephalum. Der Organismus wird in 3D gedruckte Gefäße angebaut, die konzipiert wurden, um einige Einschränkungen zu überwinden, die mit der Umsetzung der Bio-Memristoren verbunden sind. Solche Beschränkungen sind Rüstzeit, Probe Wachstumszeit und fehlende Standardisierung für Probe zu Probe Wachstumsbedingungen und elektrische Beobachtungen.
Unsere Behälter wurde zuerst im Jahr 2015 in den gedruckten Werbematerial für die Halbinsel Kunst zeitgenössische Musik Festival 2016 (PACMF) und die jeweiligen Website15offenbart. Hier war unsere Technologie verwendet, um interaktive Musik Hybridsystem Hardware-Bioware zu entwickeln, geeignet zur Erzeugung von musikalischen Begleitungen zu einem live-Musiker war. In Referenz14wir berichteten über die umfangreiche Tests von unserer Behälter und verglich die Ergebnisse gegen den früheren Ansätze9,10. Im Anschluss an diese Entwicklungen eine andere Gruppe von Forschern untersucht anschließend schaffen Wachstum Umgebungen um den Organismus Thermistive Eigenschaften16zu studieren, aber diese sind nicht identisch mit Memristive Eigenschaften. Es, jedoch wurden nur zwei andere Versuche zur Entwicklung eines kontrollierten Ansatzes für die Implementierung von p. Polycephalum Memristoren13,17. In diesen Experimenten Brunnen wurden aus einem gelartigen biokompatible Elastomerwerkstoff Polydimethylsiloxan (PDMS) genannt, und Elektroden wurden mit verschiedenen Metallen oder Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (Ausbildungsstellen) erstellt. Obwohl diese Materialien in der Elektronik, Mikrofluidik und bionic Engineering routinemäßig verwendet werden, sie sind teuer und erfordern einiges an Fachwissen zu verwenden. Z. B. muss Ausbildungsstellen Spin-Coating und doping seine Leitfähigkeit zu verbessern. Daher sind die Techniken außerhalb der Reichweite für Menschen, die keinen Zugang zu spezialisierten Ressourcen. Die Gefäße, die in diesem Artikel vorgestellten verwenden Sie Methoden und Materialien, die leicht zugänglich und billig sind. Darüber hinaus bietet das Design eine gastfreundliche Umgebung für das Plasmodium, Lebensraum, die im Gegensatz zu den anderen p. Polycephalum Memristor Prototypen wo wurde kein Versuch unternommen ist, die Zelle für jeden beliebigen Zeitraum hinweg lebendig zu halten.
Bisher war es schwierig einheitliche spannungs-Messungen mit bisherigen Methoden zur Kultivierung des Organismus auf Petrischalen (Abbildung 5, links). Unsere Methoden dieses Szenario deutlich verbessert (Abbildung 6). Die Ergebnisse unserer Aufnahme Tests haben gezeigt, dass das Design hat Wachstumszeit verringert, Lebensdauer erhöhte, Komponente Antworten standardisierte und eine geschützte Mikroumgebung erstellt um den Organismus zu Kapseln. Darüber hinaus bietet das Gerät machbar Mittel den Organismus als Komponente eines elektrischen Systems zu integrieren.
Die vorgestellte Methode lindert eine Reihe von Fragen im Zusammenhang mit der Nutzung von p. Polycephalum Memristors in elektrischen Anlagen. Es gibt jedoch Einschränkungen, die weitere Forschung und Entwicklung benötigen. Erstens kann Kondensation auf den Verbindungsschlauch Innenfläche sammeln, wenn die Gefäße eine schnelle Änderung der Temperatur ausgesetzt sind oder wenn eine hohe für lange Laufzeiten Spannung. Letzteres ist aufgrund der hohen Widerstandskraft des Organismus verursachen elektrischen Energie in Wärme übertragen werden. Falls von Bedeutung, kann die Kondensation einen niedrigen resistent Weg zwischen den beiden Elektroden an beiden Enden der Verbindungsschlauch erstellen. Diese Einschränkung kann effektiv verwaltet werden, indem sichergestellt wird, dass die Memristoren nicht überlastet werden. Zweitens kann der Gesamtwiderstand des Memristors hergestellt unter Verwendung der vorgestellten Methode von Komponente zu Komponente variieren. Ein solches Phänomen möglicherweise ein Ergebnis des Ansatzes den Außendurchmesser des protoplasmische Rohres nicht einschränken. Daher müssen Benutzer eine Kalibrierung in ihrer Anwendung die Memristoren zu integrieren.
Dank dieser Methodik können wir jetzt beginnen, die biologischen Prozesse zu studieren, die Memristive Beobachtungen in p. Polycephalumverursachen. Es ist wahrscheinlich, dass solche Prozesse dynamischer Parameter haben, die wir nutzen können um das Element Nutzung zu erweitern. Wir haben begonnen, laufen einige Vorversuchen wo sind extrazelluläre Ionenkonzentrationen geändert, um zu überprüfen, wenn Spannung gated Ionenkanäle in Memristance eine Rolle spielen.
Die vorgestellten Behälter wurden ausschließlich für die Durchführung von p. Polycephalum Memristoren entwickelt. Diese Geräte dürften jedoch verwendet darüber hinaus der Umsetzung einer einzelnen Komponente haben. Beispielsweise wurde in Referenzen12,18, das protoplasmische Rohr als selbstorganisierende und selbstreparierend biologische Draht untersucht. In beiden diesen Untersuchungen geäußert die Forscher, dass weitere Arbeit nötig war, um Methoden der wachsenden protoplasmische Rohres nach einem Schema zu etablieren. Die Gefäße in diesem Papier vorgelegt stellen eine Methode der Abgrenzung der Produktion des Rohres zwischen zwei oder möglicherweise mehr Punkte. Abbildung 7 zeigt zwei Fotografien illustriert, dass die Gefäße verwendet werden, um gesunde Rohre bei Längen wachsen mehr als 100 mm. In Referenz18wurde die Übertragungsfunktion des protoplasmische Rohres untersucht. Ergebnisse aus dieser Untersuchung zeigten, dass der Agar benötigt, um die Rohre wachsen ein Problem verursachen, wenn der Organismus wurde in einer elektrischen Anlage integriert werden. Dies ist auf das Substrat Kapazität. Die hier vorgestellten Behälter erfordern noch Agar, Luftfeuchtigkeit hoch zu halten. Jedoch mit kleinen Änderungen an der Steckdose Design ist es möglich, eine abnehmbare Rohr erstellen. Diese Einrichtung kann für die Röhre aus den Kammern getrennt werden, sobald Wachstum vollständig und in einem elektrischen System abgeschnitten ist. Darüber, sobald das Rohr Gesundheit zu verschlechtern beginnt, könnte es wiederhergestellt werden zu neuen Kammern für Essen und Erholung bis es selbst repariert hat und wieder verwendet werden kann. Abbildung 8 zeigt ein Foto von langen Röhren, die aus den Kammern getrennt wurden. Zukünftige Forschung ist notwendig, um das protoplasmische Rohr elektrischen Eigenschaften ohne die Agar und wenn bei Längen unter Verwendung der vorgestellten Methode gewachsen zu untersuchen.

Heutige Computer werden mit den drei zwei-Terminal grundlegende passive Schaltkreiselemente gebaut: der Kondensator, der Widerstand und die Induktivität. Passive Elemente sind nur in der Lage, zerstreuen oder Speicherung von Energie, nicht generieren. Diese Elemente wurden 18th und19. Jahrhundert gegründet und sind verbunden durch Maxwell Gleichungen. Wir definieren diese drei Schaltungsteile in Bezug auf ihre Beziehung zwischen zwei der vier Schaltung Variablen nämlich Strom (I), Spannung (V), Ladung (Q) und Flux-Gestänge (φ). Die Ladung ist das Zeitintegral des Stromes und Faradaysches Gesetz definiert die Spannung als das Zeitintegral des Flussmittels. So ein Kondensator zeichnet sich durch eine Beziehung zwischen Spannung und Ladung ein Widerstandes zeichnet sich durch eine Beziehung zwischen Spannung und Strom und die Induktivität ist definiert durch eine Beziehung zwischen Fluss und aktuelle. Seit mehr als einem Jahrhundert wurden diese Elemente ein Eckpfeiler der Elektronik. Sie stellen jedoch nur drei der möglichen vier Beziehung-Paare zwischen den Stromkreis Variablen, so dass Flussmittel-Gestänge und kostenfrei aufgehoben. 1971 veröffentlichte Leon Chua ein Papier1 wo er postuliert, dass gab es ein fehlende viertes Element, das die verbleibenden zwei Variablen verknüpft er die Memristor genannt. Der Memristor kann werden beschrieben als Widerstand, die seine Geschichte, daher erinnert die Kontraktion "Speicher Widerstand." Dieses Element funktioniert durch seinen Widerstand entsprechend der Größenordnung der vorher angelegten Spannung sowie deren Dauer zu verändern. Darüber hinaus behält der Memristor seinen letzten Widerstand Zustand, sobald die Spannung nicht mehr angewendet wird. Im Gegensatz zum Kondensator, Widerstand und Induktivität ist der Memristor Verhalten nichtlinear, die ist offensichtlich in seinem-V-Profil, wo eine eingeklemmter Hysteresenschleife unter einer Wechselspannung gebildet. Diese Schleife hat die Form einer Lissajous-Figur mit zwei senkrechten Schwingungen von hohen und niedrigen beständig Staaten. Vor Chuas formalisiertes Memristance Theorie hatten andere Forscher auf Memory-Widerstand-Effekte bei bestimmten Frequenzen berichtet, beim Experimentieren mit Materialien wie Polymere und Metalloxiden, zusammen mit der Entwicklung von elektrischer Geräten bei der Mikrometer Maßstab2. In vielen Fällen wurden diese Effekte jedoch unerwünscht betrachtet. Es dauerte fast vierzig Jahre für Chuas Formalisierung ein physisches Gerät verbunden werden und Forscher beginnen, Entwicklung von Methoden der Nutzung Memristive Effekte. Ein Team an den HP Laboratories gelang es Herstellung ein Memristive Gerät in 20083 , die großes Interesse an das Element gezündet.
Informatiker haben ein großes Interesse an der Memristor aufgrund seiner Gutschrift als erstes Element, Verarbeitung und Speicher Fähigkeiten in einer Einheit zu verbinden. Es zeigt auch Verhaltensweisen, die analog sind, bestimmte neurologische Prozesse wie Spike-Timing-abhängigen Plastizität (STDP)4, um nur eine zu nennen. Solche Verhaltensweisen sind was zu Perspektiven für den Bau von Gehirn-wie-computing-Technologien, die die Unterscheidung zwischen Speicher und zentrale Recheneinheit (CPU)5verzichten. Im Gegensatz zu der beliebten Ansätzen zur Entwicklung von Memristoren (TiO2, z. B. mit) ist unser Ziel, eine organische Bio-Memristor zu entwickeln. Darüber hinaus sind wir interessiert, wie diese Komponente erkunden Paradigmen über konventionelle Ansätze für technische Geräte zur Verfügung zu stellen kann; z.B., kreative Anwendungen im Bereich der Computer-Musik-6.
Memristance ist ein Effekt, den Forscher kürzlich in einer Reihe von biologischen Systemen gefunden haben. Beispielsweise wurden in Aloe Vera Pflanzen7 und menschliche Haut8, zitieren nur zwei Memristive Eigenschaften beobachtet. Diese Entdeckungen zeigen, dass es möglich eventuell, Verarbeitung und Speicher-Geräte auf biologische Substrate zu implementieren. Nutzung von biologischen Systemen in Technologie können uns spannende Konzepte zu erkunden wie Selbstorganisation, Selbstreparatur, geringe Umweltbelastung und selbst einschalten. Bevor wir jedoch diese Möglichkeiten untersuchen können, müssen einige Herausforderungen angegangen werden. Viele biologische Systeme, die Memristive Eigenschaften haben erhebliche Einschränkungen, die ihre Existenz als eine tatsächliche elektronische Komponente zu begrenzen. Zum Beispiel ein Aloe Vera Blatt7 braucht Licht, hat eine begrenzte Lebensdauer und wäre schwierig, in einer Schaltung zu integrieren. Darüber hinaus sind wie menschlichen Schweiß8Kanäle mehrere andere in Vivo Memristive Phänomene, nicht derzeit Machbaren Möglichkeiten zur Entwicklung von Systemen für den Einsatz außerhalb des Labors und in täglichen elektronischen Systemen. Aller Memristive Phänomene, ist jedoch ein potenzieller Kandidat: p. Polycephalum.
Das Plasmodium von p. Polycephalum ist ein amorphes einzelligen System, die entdeckt wurden, als eine Memristive Komponente9,10handeln. Dieser Organismus ist ein idealer Kandidat für die Forschung in der Hybrid-Hardware-Wetware Elektronik für eine Reihe von Gründen. Erstens der Organismus ist nicht-pathogene, makroskopischen und erfordert keine spezialisierte Ausrüstung verwenden, die das Plasmodium für Ingenieure und nicht-Biologen zugänglich macht. Zweitens die Zelle ist amorph, bildet Netzwerke von Draht-wie Adern und wächst auf den meisten Substraten (Abbildung 1). Diese Eigenschaften erlauben die Zellmorphologie leicht abgegrenzt werden, um eine herkömmliche elektrische Schema entsprechen. Es gibt auch Untersuchungen, die zeigen, dass das Plasmodium für mehr als vier Jahre11Leben kann, und dass seine Adern als selbstreparierenden leitfähige Bahnen12dienen können. Mehrere Untersuchungen im Labor bestätigten den Organismus Memristive Fähigkeiten9,10,13 , und jetzt ist die Zeit reif, sein Potenzial zu erforschen.
Die Idee der Verwendung von P. Polycephalum Memristoren ist relativ neu. Infolgedessen gibt es keine etablierte Standards zur Messung und Beobachtung ihrer elektrischen Eigenschaften. Diese mangelnde Einheitlichkeit in experimentellen Verfahren innerhalb der gleichen Forschergruppe und zwischen Gruppen möglicherweise, dass der Grund, es Ungereimtheiten unter gibt, Ergebnisse9,10veröffentlicht. Es ist wahrscheinlich, dass solche Variation prominenteste Beispiel Wachstumsbedingungen und Handhabung ist. So müssen wir Verfahren zur Herstellung und Prüfung p. Polycephalum Memristoren Faktoren, die möglicherweise zu Fehlern führen besser sind gesteuert und überwacht.  Darüber hinaus müssen wir zum Erstellen von Methoden für die Umsetzung von p. Polycephalum Memristors, die eine stabile und einfache Integration in elektrischen Anlagen ermöglichen.
In diesem Whitepaper vorgestellte Methode bietet eine Plattform für Erforschung von praktischen Anwendungen von p. Polycephalum Memristoren indem Sie Mittel der Einbeziehung des Organismus als Komponente in einen Schaltplan. Es ist wahrscheinlich, dass diese Techniken für Ingenieure, die reale Nutzung der Hardware-Wetware Hybridsysteme erkunden ansprechen werden. Darüber hinaus ist es für nicht-Experten (z.B. elektronische Prototyping OpenSource-Enthusiasten) zugänglich, die möglicherweise Interesse am Experimentieren mit Aspekten des unkonventionellen computing aber fand es schwierig zu Prototypen zur Anpassung an ihre braucht. Einige Anwendungsmöglichkeiten umfassen Umsetzung probabilistische Modelle Nutzbarmachung der Memristoren Spick Verhalten, Lösungsansätze zur Durchführung statusbehaftete lOgic Operationen und neurologische Prozesse für die Informationsspeicherung Modellierung und Verarbeitung.

<table><tbody><tr><td>Leitfähiges PLA-Filament 2,85 mm</td><td>Funktionalisieren</td><td>FE_1LB_2,85 mm</td><td>Leitfähiges 3D-Druck-Filament</td></tr><tr><td>HIPS-Filament 3 mm 1 kg (schwarz)</td><td>NuNus</td><td>104856</td><td>3D-Druck-Filament</td></tr><tr><td>Reinigungsfilament, 3 mm, 0,1 kg, Natürliches</td><td>3D Prima</td><td>3DPCLEAN300</td><td>3D-Reinigungsfilament</td></tr><tr><td>Lulzbot Taz 5</td><td>Lulzbot</td><td>TAZ 5</td><td>3D-Drucker</td></tr><tr><td>Agar-Pulver</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>0504</td><td>Nicht-Nährstoff-Mikrobio-Agar-Pulver</td></tr><tr><td>4 mm ID x 6 mm OD Klarer PVC-Schlauch Rohrschlauch 5 Meter</td><td>Amazon</td><td>B008NC4JUO</td><td>Rolle PVC-Schlauch</td></tr><tr><td>Physarum polycephalum Plasmodium, Living, Plate</td><td>Carolina Biological Supply Company</td><td>156193</td><td>Plasmodium-Kultur.</td></tr><tr><td>Haferflocken</td><td>Carolina Biological Supply Company</td><td></td><td>Eichenflocken zur Fütterung des Plasmoidums</td></tr><tr><td>Cura</td><td>Lulzbot</td><td>Cura LulzBot Edition</td><td></td></tr><tr><td>https://www.lulzbot.com/cura 230 Programmierbare Spannungsquelle</td><td>Keithley Instruments</td><td></td><td>Spannungsquelleninstrument.</td></tr><tr><td>617 Programmierbares Elektrometer</td><td>Keithley Instruments</td><td></td><td>Elektrometer zur Messung niedriger Ströme.</td></tr></tbody></table>

eine methode für den anbau von bio-memristoren von slime mold

A Method for Growing Bio-memristors from Slime Mold

Unsere Forschung zielt auf ein besseres Verständnis der elektronischen Eigenschaften von Organismen zu gewinnen, um neuartige bioelektronische Systeme und IT-Architekturen basierend auf Biologie Ingenieur. Spezifischen Beitrag konzentriert sich auf die Nutzbarmachung der einzelligen Slime Mold Physarum Polycephalum , Bio-Memristors (oder biologische Memristoren) zu entwickeln und Bio-computing Geräte. Der Memristor ist ein Widerstand, der Speicher besitzt. Es ist das 4. grundlegende passive Schaltungselement (die anderen drei sind der Widerstand, Kondensator und Induktivität), das ebnet den Weg für den Entwurf neuartiger IKT-Systeme; z. B.Computer, die die Unterscheidung zwischen Speicher und einer zentralen Recheneinheit verzichten könnte. Wenn mit einer Wechselspannung angewendet wird, ist die aktuelle vs. Spannungs-Kennlinie der ein Memristor ein eingeklemmter Hysteresenschleife. Es hat sich gezeigt, dass p. Polycephalum eingeklemmter Hystereseschleifen unter Wechselspannungen produziert und adaptives Verhalten, das vergleichbar ist mit der Funktionsweise von ein Memristor zeigt. Dieser Beitrag stellt die Methode, die wir entwickelt für die Umsetzung der Bio-Memristoren mit p. Polycephalum und stellt die Entwicklung der ein Gefäß zur Kultur des Organismus, die seinen Einsatz als elektronische Schaltung Komponente erleichtert. Unsere Methode hat sich als Wachstumszeit zu verringern, erhöhen die Lebensdauer der Komponente und Standardisierung von elektrischen Beobachtungen.

Um repräsentative Ergebnisse zu erzielen, haben wir 5 Proben mit der genauen Methode beschriebenen eingerichtet. Für ein Steuerelement wurden 5 Proben arrangiert mit der Methode in den frühen p. Polycephalum Memristor Untersuchungen9,10beschrieben. Hier haben wir zwei Elektroden in einem Abstand von ca. 10 mm in Petrischalen 60 mm Abstand positioniert. Jede Elektrode bestand aus einem Kreis (~ 20 mm im Durchmesser) verzinnter Kupferdraht (16 steht bei 0,2 mm) mit einer 2 %-Nährstoff deionisiertes Agar (~ 2 mL) gefüllt. Alle Proben wurden per Zeitraffer Bilder Rezensent Wachstumszeit überwacht. Hier verknüpft 5 Behälter Proben die beiden Elektroden innerhalb 10 h nach Impfung. Die schnellsten wuchs in unter 2 h, und die längste war 10 h mit der mittlere durchschnittliche Wachstumszeit über alle 5 Proben von 7 h 24 min. Vier der Kontrollproben produziert eine Verlinkung protoplasmische Röhre und einer aus der Impfung Elektrode propagiert aber ausgetrocknet, bevor es die gewünschte Verbindung gemacht. Der schnellste der Kontrollproben machte seine Verbindung innerhalb von 19 h während der langsamste 36 h, mit einer durchschnittliche Wachstumszeit über Kontrollproben von 26 h 15 min nahm. Diese Daten zeigen eine signifikante Abnahme der Wachstumszeit für Memristoren gewachsen mit der vorgestellten Methode.
Das Profil-V ein Memristor ist seine prägendste Merkmal. Als solche haben wir an den Proben zu repräsentativen Ergebnissen für dieses Papier spannungs-Messungen durchgeführt. Hier wurden augenblickliche Strommessungen an jedem Punkt eine 160-Schrittspannung Sinuswelle. Jede Spannung Schritt hatte eine statische Verweilzeit von 2 S. elektrische Messungen wurden mit einer 230 programmierbare Spannungsquelle und einem 617 programmierbare Elektrometer. Diese Geräte wurden ausgewählt, da sie in der Lage, Beschaffung von Spannung und Maßnehmen bei hohen Auflösungen sind. Bei Raumtemperatur in einem unbeleuchteten Raum wurden Experimente durchgeführt.
Abbildung 6 zeigt typische spannungs-Kurven aus Tests auf p. Polycephalum Memristors hergestellt. Abbildung 6 c und 6D zeigen Grundstücke mit der repräsentativen Messungen von Komponenten in den Petrischalen umgesetzt. Ergebnisse mit dieser Methode zeigen, dass obwohl Kurven gemessen an derselben Probe morphologisch ähneln, Hysterese von Probe zu Probe stark variiert. Diese Variante beinhaltet die Lage von Engstellen, die Größenordnung der positiven und negativen Lappen und die Symmetrie zwischen den Messungen in den Bereichen negative und positive Spannung. -Spannungs-Kurven auf Memristoren der Petrischale Methode gemessen sind daher nicht den Fußabdruck eines "idealen" Memristor, weil Engstellen nicht bei Null Spannung und Strom sind. Abbildung 6a und 6 b zeigen Grafiken mit repräsentativen Messungen von Memristoren gewachsen in den Behältern. Die Prise Punktpositionen und Lappen Größen der diese Hystereseschleifen sind relativ konsistent sowohl in diskrete Probe Kurven unter verschiedenen Spannungsbereiche und Zeitschritte getestet "und" Probe zu Probe Kurven. Gefäß-Spannungs-Kurven waren deshalb erinnert an eine "ideale" Memristor Fußabdruck, wo Engstellen immer einzigartige waren und fast durchweg bei Null Spannung und aktuell. Jedoch obwohl Hysterese Morphologien ähnliche Probe zu Probe waren, fielen Gesamtwiderstand zwischen Proben. .
Nachdem die anfängliche spannungs-Messungen abgeschlossen wurden, erfolgten auf jede Probe einmal täglich, bis sie keine Memristive-Kurven dargestellt. Von den 4 Kontrollproben 2 ausgetrocknet innerhalb von 2 Tagen nach der Erstprüfung, während die restlichen 2 weiterhin eingeklemmte Kurven für weitere 2 Tage aufzeichnen. Die Gefäß-Proben ihre Memristance für mindestens 7 Tage mit 3 Proben übersteigt, gepflegt. Im Laufe der Zeit jeder von der Steckdose protoplasmische Probenröhrchen wurde dicker, und gab es ein Rückgang der Gesamtwiderstand, mit einigen Proben messen in der A x 10-04 Bereich für 10 V läuft gegen A x 10-05 in ihren früheren Tests.
Der Leser wird der Artikel durch Braund14 für die Ergebnisse auf die umfangreichen Tests der vorgestellten Anschlussbuchse bezeichnet.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig1.jpg"> 
Abbildung 1: Ein Foto von einer 2 Tage alte Kultur von Plasmodium von p. Polycephalum. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig2.jpg"> 
Abbildung 2: Einen Screenshot von der Gefäß-STL-Datei, nachdem es in der Schneid-Software geladen ist. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig3.jpg"> 
Abbildung 3: ein Screenshot von der Elektrode-STL-Datei, nachdem es in der Schneid-Software geladen ist. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig4.jpg"> 
Abbildung 4: Ein Screenshot der Einstellungen-Konfiguration für den Druck der Elektrode-STL-Modell.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig5.jpg"> 
Abbildung 5: Zwei Fotografien von p. Polycephalum Memristoren umgesetzt in einer Petrischale (links) und unter Verwendung der Methode, die in diesem Dokument (rechts) vorgestellte. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig6.jpg"> 
Abbildung 6: Vier-V-Diagramme, die aus zwei Memristoren gewachsen in den Behältern (a, b) und zwei umgesetzt in Petrischalen (C, d) produziert wurden. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig6large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig7.jpg"> 
Abbildung 7: Fotos, auf denen das Gefäß wird verwendet, um Rohre in verschiedenen Längen wachsen.
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig8.jpg"> / > Abbildung 8: ein Foto zeigt protoplasmische Röhren, die aus den Kammern getrennt wurden.

Dieses Papier stellt eine verbesserte Methode für den Anbau von Bio-Memristoren aus das Plasmodium von Physarum Polycephalum. Diese Methode erweist sich als Wachstumszeit zu verringern, erhöhen die Lebensdauer der Komponente, elektrische Beobachtungen zu standardisieren und schaffen eine geschützte Umgebung, die in konventionellen Schaltung integriert werden kann.

Eine Methode für den Anbau von Bio-Memristoren von Slime Mold

Our research is aimed at gaining a better understanding of the electronic properties of organisms in order to engineer novel bioelectronic systems and ...

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, die Implementierung von auf Physarum polycephalum basierenden Memristoren zu standardisieren, um deren Integration in Technologien zu ermöglichen. Mithilfe dieser Methoden können wir die praktischen Anwendungen von auf Physarum polycephalum basierenden Komponenten außerhalb des Labors und in der realen Welt untersuchen. Der Hauptvorteil dieser Technik liegt darin, dass sie die Komponenten in eine Form bringt, die sowohl für Laien zugänglich als auch für die Integration in ein analytisches Schema machbar ist.Die Idee für diese Methode entstand ursprünglich bei der Entwicklung eines musikalischen Verarbeitungssystems, das auf Memristoren basierend auf Physarum polycephalum für Echtzeit-Aufführungen beruhte. Bei der Entwicklung eines auf diesen Komponenten basierenden Systems für den Einsatz außerhalb des Labors mussten praktische Aspekte berücksichtigt werden. Zunächst wird das schlagfeste Polystyrol in den 3D-Drucker eingelegt.Dann bereiten Sie den 3D-Drucker für den Gebrauch vor. Stellen Sie die Temperatur der Druckplatte auf 85 Grad Celsius und die des Extruders auf 230 Grad Celsius ein. Sobald die Zieltemperaturen erreicht sind, lockern Sie den Spannarm, führen das Filament ein und drücken es nach unten, bis Polystyrol aus dem heißen Ende austritt.Danach die Filament-Druckwagen-Arm erneut festziehen und das extrudierte Material entfernen. Anschließend im Software-Steuerungsprogramm die STL-Modelldatei für die 3D-Aufnahme laden. Falls zwischen hoher und niedriger Druckqualität gewählt werden kann, sollte die Druckqualität auf hoch eingestellt werden, wobei gleichzeitig sichergestellt werden muss, dass das korrekte Materialprofil ausgewählt ist.Nachdem die Teile gesammelt wurden, verwenden Sie eine dünne Drahtbürste, um den Elektrodensockel vorsichtig von eventuellen Unregelmäßigkeiten zu befreien, die die Montage des Geräts beeinträchtigen könnten. Ersetzen Sie nun am Drucker das HIPS-Filament durch ein Reinigungsfilament und lassen Sie eine ausreichende Menge Material durch die Druckdüse laufen, um eine gründliche Reinigung sicherzustellen.Laden Sie als Nächstes den Drucker mit einem elektrisch leitfähigen Polylactid-Filament mit geringer volumetrischer Resistivität. Stellen Sie anschließend die Temperatur der Druckplatte auf 60 Grad Celsius und die des Extruders auf 230 Grad Celsius ein. Sobald die Temperaturen erreicht sind, extrudieren Sie einige Zentimeter des Filaments, um sicherzustellen, dass alle Partikel aus vorherigen Druckvorgängen entfernt wurden.Laden Sie nun die STL-Datei für die Elektrode und geben Sie in den Druckeinstellungen die erforderlichen Werte für die Schichthöhe, die Wanddicke sowie die Dicke der Unter- und Oberseite und die Fülldichte an. Lassen Sie die Elektroden nach dem Druckvorgang auf der Druckplatte auf Raumtemperatur abkühlen, bevor Sie sie anfassen. Dadurch wird sichergestellt, dass das Bauteil nicht verzieht oder seine Form verliert.Um die Teile zusammenzubauen, schieben Sie zunächst vorsichtig die Elektrode in jede der beiden Kammern. Dies sollte ohne größeren Kraftaufwand möglich sein. Schneiden Sie danach mit einem scharfen Skalpell ein 10 mm langes Stück PVC-Schlauch ab, wobei jeder Schnitt gerade und sauber sein sollte.Dann schieben Sie vorsichtig jedes Ende des 10 mm PVC-Schlauchs über den Rand der beiden Elektroden. Sobald verbunden, befestigen Sie die beiden Kammern in der Basis. Bereiten Sie zur Vorbereitung eine zweiprozentige nährstofffreie Agar-Lösung zu.Nachdem das Agar auf etwa 55 Grad Celsius abgekühlt ist, überführen Sie mit einer 2-mL-Pipette Agar in die Kammern des Rezipienten. Halten Sie die Pipettenspitze etwa 5 mm über der Oberfläche und füllen Sie die Vertiefungen langsam bis zum unteren Rand des Verbindungsröhrchens, wobei darauf geachtet werden muss, dass keine Luftblasen eingeschlossen werden. Unmittelbar nach dem Befüllen der Vertiefungen wird ein Deckel auf jede Kammer gesetzt, und der Rezipient wird beiseitegestellt, bis das Agar erstarrt ist und Raumtemperatur erreicht hat.Danach eine Haferflocke auf das Agar in jeder Kammer legen. Anschließend einen 2-mL-Tropfen Pseudopodien aus einer 12 Stunden lang hungerstarrierten Plasmodiumkultur entnehmen. Um ein schnelles Wachstum zu fördern, versuchen, das Protoplasma aus dem am aktivsten vorderen Bereich des Organismus zu gewinnen.Diese Gefäße sind recht robust und sollten innerhalb von 12 Stunden einsatzbereit sein. Die Gefäße sind einsatzbereit, sobald das Plasmodium eine Verbindung zwischen den beiden Elektroden hergestellt hat. Dies kann leicht erkannt werden, indem man das Organismus durch das durchsichtige PVC-Rohr betrachtet.Fünf Proben wurden wie beschrieben hergestellt und mittels Zeitrafferaufnahmen überwacht, um ihre Wachstumsdauer zu bewerten. Innerhalb von 10 Stunden nach der Inokulation verbanden alle fünf Proben die beiden Elektroden. Eine davon verband sie bereits innerhalb von zwei Stunden.Das Strom-Spannungs-Verhalten (IV-Profil) unseres Memristors ist seine charakteristischste Eigenschaft. Momentane Strommessungen wurden an jedem Punkt einer 160-stufigen Spannungs-Wechselkurve durchgeführt. Jeder Spannungsschritt hatte eine konstante Verweilzeit von zwei Sekunden.Die Experimente wurden bei Raumtemperatur in einem dunklen Raum durchgeführt. Es bestand eine starke Beziehung zwischen einzelnen Messkurven, die zu verschiedenen Zeitpunkten und in unterschiedlichen Spannungsbereichen aufgenommen wurden, sowie zwischen Kurven verschiedener Proben. Die Hystereseschleifen wiesen relativ konsistente Lobbengrößen sowie Pinch-Stellen auf.Dies erinnert an das ideale Memristor-Footprint, bei dem die Pinch-Punkte stets singulär sind und sich nahezu konstant bei null Spannung und null Strom befinden. Nach Abschluss der anfänglichen Strom-Spannungs-Messungen wurden an jeder Probe einmal täglich Tests durchgeführt, bis sie keine Daten mehr in einer memristorähnlichen Weise lieferten. Von den fünf Proben funktionierten alle mindestens sieben Tage lang.Im Laufe der Zeit wurden die protoplasmatischen Röhren dicker, und der Gesamtwiderstand nahm über einen Tag hinweg ab, bevor er wieder anstieg; einige Proben wiesen bei 10-Volt-Läufen Ströme im Bereich von 10 hoch minus 4 auf, obwohl sie zuvor in der Größenordnung von 10 hoch minus 5 lagen. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie in der Lage sein, mit biologischen Memristoren zu experimentieren, ohne auf gut ausgestattete Labore oder teure Geräte angewiesen zu sein. Diese Technik hat für Forscher im Bereich des unkonventionellen Rechnens den Weg geebnet, die Verwendung biologischer Memristoren in praktischen Anwendungen zu erforschen.Wenn die Handhabung einmal beherrscht ist, können die Rezipienten innerhalb einer Stunde eingerichtet werden, und das Wachstum wird innerhalb von 12 Stunden abgeschlossen sein. Bei der Durchführung dieses Verfahrens ist es wichtig zu beachten, dass die Wachstumsgeschwindigkeit stark vom Zustand der Physarum polycephalum-Kultur abhängt. Nach diesem Verfahren können weitere Experimente durchgeführt werden, um zusätzliche Fragen zu beantworten, beispielsweise: Welcher biologische Mechanismus steht hinter der Memristanz von Physarum polycephalum?

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Research

Forschung

JoVE Journal

Bioengineering

Biotechnik

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Eine Methode für den Anbau von Bio-Memristoren von Slime Mold

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