Name: Un método para el cultivo de Bio-memristores de molde de limo (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-11-02T12:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 46 s
Description: Aprende a cultivar bio-memristores con Physarum polycephalum mediante impresión 3D y preparación de agar. Este método estandarizado facilita la integración de componentes biológicos en tecnología de computación no convencional.

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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.

1. fabricación de un receptáculo de impresión 3D <ol><li>cámaras, tapas y base <ol><li>carga un 3D impresora con poliestireno de alto impacto (HIPS) mediante la interfaz de impresora para ajustar la temperatura de la cama de impresión a 85 ° C y la extrusora a 230 ° C. Cuando se alcanzan las temperaturas, aflojar un brazo Inserte el filamento y empuje hacia abajo hasta que comience a sacar fuera el extremo caliente. A continuación, vuelva a apretar el filamento un brazo más ocioso y retire el material extruido.</li>
		<li>Importar el archivo de modelo 3D receptáculo STL en una impresión 3D corte software, que normalmente es posible, navegar a la pestaña archivo y seleccionar las opciones de importar/abrir ( figura 2).</li>
		<li>Si corte software ofrece alto y bajo parámetros de calidad de impresión, seleccione alta calidad asegurando también que el perfil correcto del material es seleccionado. 
		Nota: Si varios receptáculos en una carrera, la impresión, asegúrese de el software se encuentra imprimir cada objeto uno a la vez. Si se omite este paso, puede reducirse la calidad de impresión, que probablemente causará problemas de tolerancia cuando encaje las piezas.</li>
		<li>Una vez completada la impresión, espere hasta que la temperatura de la cama de impresión está por debajo de 50 ° C eliminar las partes.</li>
		<li>Suavemente con un cepillo de alambre fino, claro la toma de electrodo de cualquier imperfección que puedan causar obstrucciones al colocar la cámara con un electrodo.</li>
	</ol></li> <li>Electrodos <ol><li>reemplazar el filamento de las caderas de un filamento de limpieza y un montón de material pase por la cabeza de impresión.</li>
		<li>Cargar la impresora con un filamento de ácido (PLA) de poliláctico eléctricamente conductor que tiene una resistividad de volumen igual o inferior a 0.75 cm de Ω.</li>
		<li>Ajustar la temperatura de la cama de impresión el estirador a 230 ° C y 60 ° C (consulte el paso 1.1.1 para dirección).</li>
		<li>Cuando las temperaturas se alcanzan, saque varios centímetros del filamento a través del cabezal de impresión. Este proceso ayudará a asegurar que se eliminan todas las partículas de sesiones anteriores.</li>
		<li>De una impresión 3D corte software, carga el archivo STL de electrodo ( figura 3).</li>
		<li>En la configuración de impresión, especifique las siguientes: altura de la capa = 0,16 mm, espesor de cáscara = 1,7 m m, grueso de abajo/arriba = 0,74 mm, densidad de llenado = 100% ( figura 4).</li>
		<li>Si impresión varios electrodos en una carrera, establecer la impresora para imprimir uno por uno.</li>
		<li>Una vez impreso, deje los electrodos en la cama de impresión hasta que se enfríe a temperatura ambiente. Esto asegura la parte deformada y deformada no.</li>
	</ol></li> <li>Asamblea receptáculo <ol><li>ranura un electrodo en cada una de las dos cámaras. Si paso 1.1.5 se ha completado correctamente, los electrodos deben ir en las cámaras sin mucha fuerza.</li>
		<li>Con un bisturí afilado, corte un pedazo de 10 mm de cloruro de polivinilo (PVC) tubo (diámetro interno de 4 mm y diámetro externo de 6 mm) teniendo cuidado de asegurar que cada extremo se corta recto y limpio.</li>
		<li>Aliviar suavemente cada extremo de la tubería de PVC de 10 mm sobre el borde de los dos electrodos.</li>
		<li>Una vez conectado, las dos cámaras del clip en la base.</li>
	</ol></li></ol> 2. Recipiente de preparación e inoculación de p. polycephalum <ol><li>2% preparación medio de agar <ol><li>poner 2 g de polvo de agar microbiológico no nutritivas en un frasco de vidrio de 250 mL.</li>
		<li>Agregar 100 mL de agua desionizada y mezclar bien.</li>
		<li>Autoclave de la botella para 12-15 min a 121 ° C o el lugar en un baño de agua hirviendo durante 15-20 minutos</li>
	</ol></li> <li>Ajuste el sustrato de agar en el receptáculo de &#39; cámaras de s <ol><li>fundir el agar utilizando un baño María o microondas.</li>
		<li>Llenar una pipeta de 2 mL con agar fundido.</li>
		<li>Llenar cada uno del receptáculo &#39; cámaras s asomando la punta de la pipeta aproximadamente 5 mm por encima de la base interna y poco a poco llenando los pozos hasta la parte inferior de la conexión del tubo orificio.</li>
		<li>Inmediatamente después de llenar los pozos, coloque una tapa sobre cada una de las cámaras y apartar el recipiente hasta que el agar haya establecido y temperatura ambiente.</li>
	</ol></li> <li>P. polycephalum inoculación <ol><li>Coloque una hojuela de avena en cada una de las dos cámaras.</li>
		<li>Saque una gota 2 mL de pseudópodos una hambrienta (aproximadamente 12 h) cultura de plasmodium en una de las dos cámaras. Para promover el crecimiento rápido, trate de tomar el protoplasma de los más activos del organismo anterior.</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>

Los autores no tienen nada que revelar.

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.

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.

<table><tbody><tr><td>Filamento PLA conductor 2.85mm</td><td>Funcionalizar</td><td>FE_1LB_2.85MM</td><td>Filamento de impresión 3D conductivo</td></tr><tr><td>Filamento HIPS 3mm 1KG (negro)</td><td>NuNus</td><td>104856</td><td>filamento de impresión 3D</td></tr><tr><td>Filamento de limpieza, 3mm, 0.1 kg, Natural</td><td>3D Prima</td><td>3DPCLEAN300</td><td>Filamento de limpieza 3D</td></tr><tr><td>Lulzbot Taz 5</td><td>Lulzbot</td><td>TAZ 5</td><td>Polvo de</td></tr><tr><td>agar</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>0504</td><td>Polvo de agar microbiológico no nutriente</td></tr><tr><td>de 4 mm de diámetro interno x 6 mm de diámetro exterior Manguera de tubería de PVC transparente de 5 metros</td><td>Amazon</td><td>B008NC4JUO</td><td>Rollo de tubería de PVC</td></tr><tr><td>Physarum polycephalum Plasmodium, vivo, placa</td><td>Carolina Biological Supply Company</td><td>156193</td><td>cultivo de Plasmodium.</td></tr><tr><td>Copos de avena</td><td>Carolina Biological Supply Company</td><td></td><td>Copos de roble para alimentar el Plasmoidum</td></tr><tr><td>Cura</td><td>Lulzbot</td><td>Cura LulzBot Edition</td><td>https://www.lulzbot.com/cura</td></tr><tr><td>230 Fuente de voltaje programable</td><td>Keithley Instruments</td><td></td><td>Instrumento de fuente de voltaje.</td></tr><tr><td>617 Electrómetro programable</td><td>Keithley Instruments</td><td></td><td>Electrómetro para medir corrientes bajas.</td></tr></tbody></table>

un método para el cultivo de bio-memristores de molde de limo

A Method for Growing Bio-memristors from Slime Mold

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.

Para obtener resultados representativos, hemos creado 5 muestras utilizando el método descrito anteriormente. Para un control, 5 muestras también fueron arregladas con el método descrito en la primera p. polycephalum memristor investigaciones9,10. Aquí, nos coloca dos electrodos espaciados a una distancia de aproximadamente 10 mm dentro de platos de Petri de 60 mm. Cada electrodo consistió en un círculo (~ 20 mm de diámetro) de alambre de cobre estañado (16 soportes a 0.2 mm) con un no-nutrientes de 2% agar desionizada (2 mL). Todas las muestras fueron monitoreadas a través de imágenes de lapso de tiempo revisar tiempo de crecimiento. Aquí, las muestras de 5 receptáculo conectan los dos electrodos dentro de las 10 h de la inoculación. El más rápido de estos creció en menos de 2 h y 10 h, con el tiempo de crecimiento promedio a través de todas las 5 muestras de 7 h 24 min fue el más largo. Cuatro de las muestras de control producen una vinculación tubo protoplasmática y uno propaga fuera el electrodo de inoculación pero se secó antes de que hiciera la conexión necesaria. El más rápido de las muestras de control hace su conexión dentro de las 19 h mientras que la más lenta 36 h, con un tiempo promedio a través de muestras de control de 26 h 15min. Estos datos muestran una disminución significativa en el tiempo de crecimiento de memristores crecido utilizando el método presentado.
El perfil-V de un memristor es su característica más distintiva. Como tal, realizamos mediciones de-V en las muestras para obtener resultados representativos para este papel. Aquí, se hicieron medidas de corriente instantáneas en cada punto de una onda senoidal de tensión de paso de 160. Cada paso de voltaje un tiempo estático de 2 mediciones eléctricas s. se hizo utilizando una fuente de voltaje programable 230 y un Electrómetro programable 617. Estos dispositivos fueron seleccionados ya que son capaces del abastecimiento tensión y tomar medidas en altas resoluciones. Experimentos se realizaron a temperatura ambiente en una habitación apagada.
La figura 6 muestra las curvas V típicos producidas a partir de pruebas de p. polycephalum memristores. Figura 6 c y 6 d Mostrar diagramas con las medidas representativas de los componentes en las placas Petri. Usando este método los resultados muestran que, aunque medidas en la misma muestra las curvas son morfológicamente similares, histéresis varía mucho de muestra a muestra. Dicha variación incluye la ubicación de puntos de pellizco, la magnitud de lóbulos positivos y negativos y la simetría entre las mediciones en los dominios de voltaje negativo y positivo. Así, curvas-V medidas en memristores utilizando el método del plato de Petri no son la huella de un memristor 'ideal' porque no son puntos de pellizco a cero voltaje y corriente. Figura 6a y 6b muestran gráficos con mediciones representativas de memristores en los receptáculos. La ubicación del punto de pellizco y lóbulo tamaños de estos lazos de histéresis son relativamente constantes en curvas muestra discreta ensayadas distintos rangos de voltaje y pasos de tiempo y muestra a muestra las curvas. Por lo tanto, las curvas i-v de receptáculo estaban más evocador de la huella de un memristor 'ideal', donde siempre eran singulares puntos de pellizco y casi constantemente en tensión y corriente. Sin embargo, aunque morfologías de histéresis eran muestras similares, hubo variación en la resistencia total entre muestras. .
Después se realizaron las mediciones de V inicial, se realizaron pruebas en cada muestra una vez al día hasta que no presentaban curvas memristive. De las muestras de control de 4, 2 secado dentro de 2 días de pruebas iniciales, mientras que las 2 restantes continuó a registrar curvas pinchadas durante 2 días más. Las muestras del recipiente mantienen su memristance durante al menos 7 días, con 3 muestras superior a. Con el tiempo, cada uno de los tubos protoplasmática del receptáculo se convirtió más densamente y hubo una disminución en la resistencia general, con algunas muestras de medición en la x 10-04 rango de 10 V funciona contra A x 10-05 en sus pruebas anteriores.
El lector es referido al artículo por Braund14 para obtener los resultados en la prueba extensa del receptáculo presentado.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig1.jpg"> 
Figura 1: Una fotografía de una cultura de día 2 de plasmodium de p. polycephalum. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig1large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig2.jpg"> 
Figura 2: Una captura de pantalla del archivo STL recipiente después se carga en el software de corte de. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig2large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig3.jpg"> 
Figura 3: una captura de pantalla del archivo STL electrodo después de se carga en el software de corte de. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig3large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig4.jpg"> 
Figura 4: Una captura de pantalla de la configuración para la impresión del modelo STL de electrodo.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig5.jpg"> 
Figura 5: Dos fotografías que representan p. polycephalum memristores implementado en una placa Petri (izquierda) y utilizando el método presentado en este trabajo (derecha). <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig5large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig6.jpg"> 
Figura 6: Cuatro gráficos-V que fueron producidos de dos memristores cultivados en recipientes (a, b) y dos en platos de Petri (c, d). <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig6large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig7.jpg"> 
Figura 7: Fotografías mostrando el recipiente se utiliza para crecer tubos en varias medidas.
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig8.jpg"> / &gt; Figura 8: una fotografía que mostraba tubos protoplásmico que han sido desconectados de las cámaras de.

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.

Un método para el cultivo de Bio-memristores de molde de limo

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

El objetivo general de este procedimiento es estandarizar la implementación de memristores basados en Physarum polycephalum, para comenzar a facilitar su integración en tecnología. Mediante estos métodos, podemos empezar a investigar las aplicaciones prácticas de componentes basados en Physarum polycephalum fuera del laboratorio y en el mundo real. La principal ventaja de esta técnica es que convierte los componentes en una forma que es accesible para no expertos y viable para integrar en un esquema analítico.Primero tuvimos la idea de este método cuando desarrollamos un sistema de procesamiento musical que aprovechaba memristores basados en Physarum polycephalum para ejecución en tiempo real. Al desarrollar un sistema basado en estos componentes para su uso fuera del laboratorio, fue necesario abordar cuestiones de practicidad. Para comenzar, cargue primero el poliestireno de alto impacto en la impresora 3D.A continuación, prepare la impresora 3D para su uso. Establezca la temperatura de la cama de impresión en 85 grados Celsius y la del extrusor en 230 grados Celsius. Una vez alcanzadas las temperaturas objetivo, afloje el brazo tensor, inserte el filamento y empuje hacia abajo hasta que el poliestireno salga por el extremo caliente.A continuación, vuelva a apretar el brazo tensor del filamento y retire el material extruido. Luego, en el control del software, cargue el archivo del modelo STL para el receptáculo 3D. Y si hay opciones de alta o baja calidad de impresión, seleccione la impresión de alta calidad, asegurándose también de que el perfil de material correcto esté seleccionado.Después de recopilar las piezas, utilice un cepillo de alambre delgado para limpiar suavemente el zócalo del electrodo de cualquier imperfección que pueda interferir en el ensamblaje del dispositivo. Ahora, en la impresora, sustituya el filamento HIPS por un filamento de limpieza y haga pasar un volumen generoso de material a través de la boquilla de impresión para garantizar una limpieza exhaustiva.A continuación, cargue la impresora con un filamento de ácido poliláctico eléctricamente conductor que tenga una baja resistividad volumétrica. Luego, establezca la temperatura de la cama de impresión en 60 grados Celsius y el extrusor en 230 grados Celsius. Cuando se alcancen las temperaturas, extruya varios centímetros del filamento para ayudar a garantizar que se eliminen todas las partículas provenientes de sesiones anteriores.Ahora, cargue el archivo STL del electrodo y, en la configuración de impresión, especifique los ajustes requeridos para la altura de capa, espesor del estante, espesores inferior y superior, y la densidad de relleno. Una vez impreso, deje que los electrodos se enfríen hasta la temperatura ambiente sobre la plataforma de impresión antes de manipularlos. Esto asegura que la pieza no se deforme ni pierda su forma.Para ensamblar las piezas, primero deslice suavemente el electrodo en cada una de las dos cámaras. Debe introducirse sin necesidad de ejercer mucha fuerza. A continuación, utilizando un bisturí afilado, corte cuidadosamente un trozo de tubo de PVC de 10 mm, haciendo cada corte recto y limpio.Luego, coloque suavemente cada extremo del tubo de PVC de 10 mm sobre el borde de los dos electrodos. Una vez conectados, sujete las dos cámaras a la base. Como preparación, prepare agar al dos por ciento sin nutrientes.Una vez que el agar se haya enfriado a aproximadamente 55 grados Celsius, utilice una pipeta de 2 mL para transferir el agar a las cámaras del receptáculo. Mantenga la punta de la pipeta a unos 5 mm por encima de la superficie y llene lentamente los pocillos hasta la base del orificio del tubo de conexión, teniendo cuidado de no introducir burbujas de aire. Inmediatamente después de llenar los pocillos, coloque una tapa sobre cada una de las cámaras y deje el receptáculo apartado hasta que el agar se solidifique y alcance la temperatura ambiente.Luego, coloque una escama de avena sobre el agar en cada cámara. A continuación, retire un agregado de 2 mL de pseudópodos de una cultura de plasmodio sometida a ayuno durante 12 horas. Para favorecer un crecimiento rápido, intente tomar el protoplasma de la parte anterior más activa del organismo.Estos recipientes son bastante resistentes y deberían estar listos para su uso en un plazo de 12 horas. Los recipientes están listos una vez que el plasmodio ha establecido una conexión entre los dos electrodos. Esto se puede distinguir fácilmente examinando el organismo a través del tubo de PVC transparente.Se prepararon cinco muestras según lo descrito y se monitorearon mediante imágenes de lapso de tiempo para revisar su tiempo de crecimiento. Dentro de las 10 horas posteriores a la inoculación, las cinco muestras conectaron los dos electrodos. Una de ellas lo hizo en menos de dos horas.El perfil IV de nuestro memristor es su característica más definitoria. Se realizaron mediciones instantáneas de corriente en cada punto de una onda sinusoidal de voltaje de 160 pasos. Cada paso de voltaje tuvo un tiempo de permanencia estático de dos segundos.Los experimentos se realizaron a temperatura ambiente en una habitación sin iluminar. Hubo una fuerte relación en las curvas de una sola muestra medidas en diferentes intervalos de tiempo y rangos de voltaje, así como en las curvas de muestra a muestra. Los ciclos de histéresis presentaron tamaños de lóbulos relativamente consistentes, así como ubicaciones de estrangulamiento.Esto recuerda al patrón ideal del memristor, donde los puntos de estrangulamiento son siempre singulares y casi consistentemente en voltaje y corriente cero. Después de completar las mediciones iniciales de IV, se realizaron pruebas en cada muestra una vez al día, hasta que dejaron de presentar datos de forma similar a la de un memristor. De las cinco muestras, todas funcionaron durante al menos siete días.Con el tiempo, los tubos protoplásmicos se volvieron más gruesos y hubo una disminución de la resistencia general en aproximadamente un día, seguida de un aumento, con algunas muestras que registraron valores de corriente en el rango de 10 a la menos 4 durante ensayos de 10 voltios, a pesar de haber operado en el rango de 10 a la menos 5 durante sus pruebas iniciales. Tras ver este video, usted debería ser capaz de experimentar con memristores biológicos sin necesidad de acceder a laboratorios bien equipados ni a equipos costosos. Esta técnica ha allanado el camino para que los investigadores en el campo de la computación no convencional exploren el uso de memristores biológ游戏副本Una vez dominado, el montaje de los receptáculos puede realizarse en menos de una hora, y el crecimiento se completará dentro de las 12 horas. Al intentar este procedimiento, es importante recordar que la velocidad de crecimiento depende en gran medida del estado de la cultura de Physarum polycephalum. Tras seguir este procedimiento, se pueden realizar experimentos adicionales para responder otras preguntas, como, ¿cuál es el mecanismo biológico detrás de la memristancia de Physarum polycephalum?

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Bioengineering

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