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

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, die Implementierung von Memristoren auf Basis von Physarum polycephalum zu standardisieren, um ihre Integration in die Technologie zu erleichtern. Mit diesen Methoden können wir beginnen, die praktischen Anwendungen von Komponenten auf Basis von Physarum polycephalum außerhalb des Labors und in der realen Welt zu untersuchen. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie die Komponenten in eine Form bringt, die sowohl für Nicht-Experten zugänglich ist als auch in ein analytisches Schema integriert werden kann.

Die Idee zu dieser Methode hatten wir erstmals, als wir ein musikalisches Verarbeitungssystem entwickelten, das Memristoren auf Basis von Physarum polycephalum für die Echtzeit-Performance nutzbar machte. Durch die Entwicklung eines Systems, das auf diesen Komponenten für den Außenbereich des Labors basiert, mussten Fragen der Praxistauglichkeit geklärt werden. Zu Beginn legst du zunächst das schlagfeste Polystyrol in den 3D-Drucker.

Bereiten Sie dann den 3D-Drucker für den Gebrauch vor. Stelle die Druckbetttemperatur auf 85 Grad Celsius und den Extruder auf 230 Grad Celsius ein. Sobald Sie die Zieltemperaturen erreicht haben, lösen Sie den Umlenkarm, führen Sie das Filament ein und drücken Sie es nach unten, bis das Polystyrol aus dem heißen Ende austritt.

Ziehen Sie dann den Filament-Umlenkarm wieder fest und entfernen Sie das extrudierte Material. Laden Sie als Nächstes in der Softwaresteuerung die STL-Modelldatei für die 3D-Buchse. Und wenn es hohe oder niedrige Druckqualitäten zur Auswahl gibt, machen Sie den Druck qualitativ hochwertig und stellen Sie gleichzeitig sicher, dass das richtige Materialprofil ausgewählt wird.

Nachdem Sie die Teile gesammelt haben, verwenden Sie eine dünne Drahtbürste, um die Elektrodenbuchse vorsichtig von Unvollkommenheiten zu befreien, die den Zusammenbau des Geräts beeinträchtigen könnten. Ersetzen Sie nun auf dem Drucker das HIPS-Filament durch ein Reinigungsfilament. Und lassen Sie eine große Menge Material durch den Druckkopf laufen, um eine gründliche Reinigung zu gewährleisten.

Bestücken Sie den Drucker als Nächstes mit einem elektrisch leitfähigen Polymilchsäure-Filament, das einen geringen Volumenwiderstand aufweist. Stelle dann die Druckbetttemperatur auf 60 Grad Celsius und den Extruder auf 230 Grad Celsius ein. Wenn die Temperaturen erreicht sind, extrudieren Sie mehrere Zentimeter des Filaments, um sicherzustellen, dass alle Partikel aus früheren Sitzungen entfernt werden.

Laden Sie nun die STL-Datei für die Elektrode und legen Sie in den Druckeinstellungen die erforderlichen Einstellungen für die Schichthöhe, die Regaldicke, die untere und obere Dicke sowie die Fülldichte fest. Lass die Elektroden nach dem Drucken auf dem Druckbett auf Raumtemperatur abkühlen, bevor du sie anfasst. Dadurch wird sichergestellt, dass sich das Teil nicht verzieht und verformt.

Um die Teile zusammenzubauen, schieben Sie zunächst die Elektrode vorsichtig in jede der beiden Kammern. Es sollte ohne viel Kraft hineingehen. Schneiden Sie dann mit einem scharfen Skalpell vorsichtig ein 10 mm langes Stück PVC-Schlauch ab und machen Sie jeden Schnitt gerade und sauber.

Lösen Sie dann vorsichtig jedes Ende des 10-mm-PVC-Schlauchs über den Rand der beiden Elektroden. Sobald sie verbunden sind, klemmen Sie die beiden Kammern in den Sockel ein. Stellen Sie zur Vorbereitung zwei Prozent Nicht-Nährstoff-Agar her.

Sobald der Agar auf etwa 55 Grad Celsius abgekühlt ist, verwenden Sie eine 2-ml-Pipette, um den Agar in die Kammern des Gefäßes zu überführen. Schweben Sie mit der Spitze der Pipette etwa 5 mm über der Oberfläche und füllen Sie die Vertiefungen langsam bis zum Boden des Verbindungsrohrlochs, wobei Sie darauf achten, dass keine Luftblasen eingebracht werden. Unmittelbar nach dem Befüllen der Vertiefungen legen Sie einen Deckel auf jede der Kammern und stellen Sie das Gefäß beiseite, bis der Agar fest geworden ist und Raumtemperatur erreicht hat.

Lege dann in jeder Kammer eine Haferflocke auf den Agar. Entfernen Sie als Nächstes einen 2-ml-Klumpen mit Pseudopoden aus einer 12-stündigen ausgehungerten Kultur von Plasmodium. Um ein schnelles Wachstum zu fördern, versuchen Sie, das Protoplasma aus dem aktivsten Vorderteil des Organismus zu entnehmen.

Diese Gefäße sind recht robust und sollten innerhalb von 12 Stunden einsatzbereit sein. Die Gefäße sind bereit, sobald das Plasmodium eine Verbindung zwischen den beiden Elektroden hergestellt hat. Dies kann leicht unterschieden werden, indem man den Organismus durch den durchsichtigen PVC-Schlauch untersucht.

Fünf Proben wurden wie beschrieben aufbereitet und mittels Zeitrafferbildern überwacht, um ihre Wachstumszeit zu überprüfen. Innerhalb von 10 Stunden nach der Inokulation verbanden alle fünf Proben die beiden Elektroden. Einer schaffte dies in weniger als zwei Stunden.

Das IV-Profil unseres Memristors ist sein prägendstes Merkmal. Momentane Strommessungen wurden an jedem Punkt einer 160-stufigen Spannungszeichenwelle durchgeführt. Jeder Spannungsschritt hatte eine statische Verweilzeit von zwei Sekunden.

Die Experimente wurden bei Raumtemperatur in einem unbeleuchteten Raum durchgeführt. Es gab eine starke Beziehung zwischen Einzelprobenkurven, die in verschiedenen Zeitschritten und Spannungsbereichen gemessen wurden, und bei Kurven von Probe zu Probe. Hystereseschleifen wiesen relativ konsistente Keulengrößen sowie Pinch-Positionen auf.

Dies erinnert an den idealen Memristor-Footprint, bei dem die Quetschpunkte immer singulär und fast konstant bei null Spannung und Strom sind. Nachdem die ersten IV-Messungen abgeschlossen waren, wurden Tests an jeder Probe einmal pro Tag durchgeführt, bis sie keine Daten mehr in einer memristorähnlichen Weise präsentierten. Von den fünf Proben funktionierten alle mindestens sieben Tage lang.

Im Laufe der Zeit wurden die protoplasmatischen Röhren dicker und es gab eine Abnahme des Gesamtwiderstands über etwa einen Tag, bevor sie anstieg, wobei einige Proben im Bereich von 10 bis minus 4 für die Stromstärke während 10-Volt-Läufen gemessen wurden, obwohl sie bei ihren früheren Tests im Bereich von 10 bis minus 5 lagen. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie in der Lage sein, mit biologischen Memristoren zu experimentieren, ohne Zugang zu gut ausgestatteten Laboren und teuren Geräten zu haben. Diese Technik hat Forschern auf dem Gebiet des unkonventionellen Rechnens den Weg geebnet, um den Einsatz biologischer Memristoren in praktischen Anwendungen zu erforschen.

Einmal gemeistert, können die Behälter in weniger als einer Stunde eingerichtet werden, und das Wachstum ist innerhalb von 12 Stunden abgeschlossen. Wenn Sie dieses Verfahren versuchen, ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass die Wachstumsgeschwindigkeit stark vom Zustand der Physarum polycephalum-Kultur abhängt. Im Anschluss an dieses Verfahren können weitere Experimente durchgeführt werden, um zusätzliche Fragen zu beantworten wie: Was ist der biologische Mechanismus hinter der Memristance von Physarum polycephalum?