Name: Une méthode pour cultiver Bio-memristors de myxomycètes (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-11-02T12:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 46 s
Description: Découvrez une méthode de culture de bio-memristors à partir de Physarum polycephalum pour l'informatique biologique. Cette technique standardisée permet aux non-experts d'intégrer ces composants dans des applications technologiques réelles.

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Cette recherche a été financée par la Faculté des sciences humaines et les Arts de la scène de l’Université de Plymouth. Les auteurs tenons à remercier Functionalize pour fournir des échantillons de leur conducteur PLA.

1. fabrication d’un récipient imprimées 3D <ol><li>Chambers, couvercles et base <ol><li>charge une 3D imprimante avec le polystyrène choc (HIPS) en utilisant l’interface de l’imprimante pour régler la température de lit impression à 85 ° C et l’extrudeuse à 230 ° C. Lorsque les températures sont atteintes, desserrer le bras de renvoi, insérer le filament et poussez vers le bas jusqu'à ce qu’il commence à expulser hors de l’extrémité chaude. Ensuite, resserrez le bras de renvoi de filament et enlève la matière extrudée.</li>
		<li>Importer le fichier de modèle STL 3D prise dans une impression 3D tranchage logiciel, qui peut normalement se faire en accédant à l’onglet fichier et en sélectionnant les options d’importation/ouvert ( Figure 2).</li>
		<li>Si tranchage logiciel offre haute et basse paramètres qualité d’impression, sélectionnez haute qualité tout en s’assurant que le profil matériel correct est sélectionné. 
		Remarque : Si impression plusieurs récipients en un seul passage, vérifiez que le logiciel est configuré pour imprimer chaque objet l’un à la fois. Si cette étape est ignorée, la qualité d’impression peut être réduite, ce qui causera vraisemblablement des questions de tolérance lors du montage des parties ensemble.</li>
		<li>Une fois l’impression terminée, attendez que la température de lit impression est inférieure à 50 ° C à démonter les pièces.</li>
		<li>à l’aide d’une brosse fine, Effacer doucement la prise électrode de toutes les imperfections qui peuvent causer l’obstruction lors du montage de la chambre avec une électrode.</li>
	</ol></li> <li>Électrodes <ol><li>remplacer le filament de hanches pour un filament de nettoyage et de courir beaucoup du matériel par le biais de la tête d’impression.</li>
		<li>Charger l’imprimante avec un filament (PLA) de l’acide polylactique conductrice qui possède une résistivité volumique de 0,75 Ω-cm ou moins.</li>
		<li>Régler la température de l’impression lit à 60 ° C et l’extrudeuse à 230 ° C (Voir l’étape 1.1.1 pour guidance).</li>
		<li>Lorsque les températures sont atteintes, extruder plusieurs centimètres du filament par l’intermédiaire de la tête d’impression. Ce processus permettra d’assurer que toutes les particules lors de sessions antérieures sont supprimées.</li>
		<li>à l’aide d’une impression 3D tranchage logiciel, chargez le fichier STL électrode ( Figure 3).</li>
		<li>Dans les paramètres d’impression, spécifiez les options suivantes : couche hauteur = 0. 16 mm, épaisseur = 1,7 mm, épaisseur de bas/haut = 0,74 mm, densité de remplissage = 100 % ( Figure 4).</li>
		<li>Si impression plusieurs électrodes en un seul passage, définissez l’imprimante pour imprimer un à la fois.</li>
		<li>Une fois imprimé, laissez les électrodes sur le lit impression jusqu'à ce qu’ils ont refroidi à température ambiante. Cela garantit que la partie ne deviennent pas déformée et déformée.</li>
	</ol></li> <li>Assemblée prise <ol><li>s’insérer une électrode dans chacune des deux chambres. Si l’étape 1.1.5 a été correctement rempli, les électrodes devraient aller dans les chambres sans force.</li>
		<li>à l’aide d’un scalpel tranchant, couper un morceau de 10 mm de polychlorure de vinyle (PVC) un tube (diamètre intérieur de 4 mm et 6 mm de diamètre extérieur) en prenant soin de vérifier que chaque extrémité est coupée tout droit et proprement.</li>
		<li>Soulager doucement chaque extrémité du tube PVC de 10 mm sur le bord des deux électrodes.</li>
		<li>Une fois connecté, les deux chambres agrafer dans la base de.</li>
	</ol></li></ol> 2. Préparation de la prise de courant et P. polycephalum Inoculation <ol><li>préparation moyenne de 2 % agar <ol><li>mettre 2 g de poudre d’agar microbiologiques non nutritifs dans une bouteille en verre 250 mL.</li>
		<li>Ajouter 100 mL d’eau désionisée et mélanger bien.</li>
		<li>Stériliser le biberon pendant 12-15 min à 121 ° C ou placez-les dans un bain d’eau bouillante pendant 15-20 min.</li>
	</ol></li> <li>Affectant le substrat d’agar dans le réceptacle &#39; chambres s <ol><li>fondre la gélose à l’aide d’un bain-marie ou micro-onde.</li>
		<li>Remplir une pipette de 2 mL d’agar fondu.</li>
		<li>Remplir chaque du récipient &#39; chambres s en vol stationnaire à la pointe de la pipette environ 5 mm au-dessus de la base interne et en remplissant lentement les puits jusqu'à la partie inférieure de la connexion de tube trou.</li>
		<li>Immédiatement après le remplissage des puits, placez un couvercle sur chacune des assemblées et mettre de côté le récipient jusqu'à ce que l’agar a défini et a atteint la température de la pièce.</li>
	</ol></li> <li>P. polycephalum inoculation <ol><li>placer un flocon d’avoine dans chacune des deux chambres.</li>
		<li>Enlever une tache de 2 mL de pseudopodes d’un famélique (environ 12 h) culture de plasmodium et placez-le dans l’une des deux chambres. Afin de promouvoir une croissance rapide, essayez de prendre le protoplasme de la plus active antérieur de l’organisme.</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>

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Cet article présente une méthode pour cultiver des memristors hors les myxomycètes P. polycephalum. L’organisme est cultivé à l’intérieur des récipients imprimés 3D qui ont été conçues pour surmonter certains des obstacles qui sont associés à la mise en œuvre de la bio-memristors. Ces limites concernent les temps de préparation, temps de croissance d’échantillon et l’absence de normalisation des conditions de croissance d’échantillon et d’observation électrique.
Notre récipient a été révélée en 2015 dans les documents de publicité imprimée pour la péninsule Arts Contemporary Music Festival 2016 (PACMF) et site Web respectif15. Ici, notre technologie a été utilisée pour développer un système de musique interactive de matériel-bioware hybride qui était capable de générer des accompagnements musicaux pour un musicien live. Référence14, nous avons signalé sur les tests approfondis de notre prise et comparé les résultats contre les précédentes approches9,10. Suite à ces développements, un autre groupe de chercheurs a par la suite exploré créant milieux de croissance pour l’étude thermistive propriétés16 de l’organisme, mais ce ne sont pas les mêmes que les propriétés memristive. Il, cependant, n’ont deux autres tentatives d’élaboration d’une approche contrôlée à mettre en œuvre P. polycephalum memristors13,17. Dans ces expériences, puits étaient constituées d’un matériau élastomère biocompatible gélatineuse appelé polydiméthylsiloxane (PDMS), et les électrodes ont été créées à l’aide de divers métaux ou poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (Modélation). Bien que ces matériaux sont couramment utilisés dans l’électronique, la microfluidique et ingénierie bionique, ils sont coûteux et nécessitent des compétences à utiliser. Par exemple, Modélation doit Enduction centrifuge et dopage pour améliorer sa conductivité. Par conséquent, les techniques sont hors de portée pour les personnes qui n’ont pas accès à des ressources spécialisées. Les récipients présentés dans cet article utilisent les méthodes et les matériaux qui sont facilement accessibles et peu coûteux. En outre, la conception fournit un milieu favorable pour le plasmodium à l’habitat, qui contraste avec les autres prototypes de memristor P. polycephalum où rien n’a été fait pour conserver la cellule actif pendant toute la durée du temps.
Jusqu'à présent, il a été difficile d’obtenir des mesures compatibles I-V à l’aide des méthodes précédentes pour la culture de l’organisme sur des boîtes de Pétri (Figure 5, gauche). Nos méthodes sensiblement amélioré ce scénario (Figure 6). Les résultats des tests de notre prise ont démontré que la conception a diminué le temps de croissance, a augmenté la durée de vie, normalisés selon les réponses de composant et crée un micro-environnement protégé pour encapsuler l’organisme. En outre, le dispositif prévoit des moyens réalistes de l’intégration de l’organisme comme une composante d’un système électrique.
La méthode présentée soulage un certain nombre de questions liées à l’exploitation P. polycephalum memristors au sein des systèmes électriques. Il y a, cependant, les limites qui nécessitent davantage de recherche et développement. Tout d’abord, condensation peut se réunir sur la surface intérieure du tube raccordement si les récipients sont soumis à un changement rapide de température ou si une tension élevée est appliquée pour de longues durées. Ce dernier est en raison de la résistance élevée de l’organisme provoquant l’énergie électrique à transférer en chaleur. Si importante, la condensation peut créer une voie résistante faible entre les deux électrodes aux extrémités du tube de raccordement. Cette limitation peut être gérée efficacement en s’assurant que les memristors ne sont pas surchargés. Deuxièmement, la résistance globale des memristors produites à l’aide de la méthode présentée peut varier du composant-composant. Un tel phénomène peut être un résultat de l’approche de ne pas limiter le diamètre extérieur du tube protoplasmique. Par conséquent, les utilisateurs doivent d’intégrer un processus de calibrage de leur demande des memristors.
Grâce à cette méthodologie, nous pouvons maintenant commencer à étudier les processus biologiques qui provoquent des observations memristive dans P. polycephalum. Il est probable que ces processus ont des paramètres dynamiques que nous pourrions être en mesure d’exploiter pour augmenter l’utilisation de l’élément. Nous avons commencé à courir quelques expériences préliminaires où les concentrations d’ions extracellulaires ont été modifiées pour examiner si les canaux ioniques voltage-dépendants joue un rôle dans memristance.
Les récipients présentés ont été conçus uniquement pour la mise en œuvre de P. polycephalum memristors. Ces dispositifs sont susceptibles, cependant, d’avoir des utilisations au-delà de l’implémentation d’un composant unique. Par exemple, dans les références12,18, le tube protoplasmique a été étudié comme un fils biologique auto-assemblage et réparation automatique. Dans ces deux enquêtes, les chercheurs ont exprimé qu’il fallait poursuivre les travaux d’établir des méthodes de plus en plus le tube protoplasmique suivant un schéma. Les récipients présentées dans ce document fournissent une méthode de délimiter la production du tube entre deux, ou potentiellement plus, points. La figure 7 illustre deux photographies qui illustrent que les récipients peuvent servir à grandir sains tubes d’une longueur supérieure à 100 mm. Référence18, la fonction de transfert du tube protoplasmique a été étudiée. Les résultats de cette étude ont indiqué que la gélose pour cultiver les tubes peut-être causer un problème si l’organisme devait être intégré dans un système électrique. C’est en raison de la capacité du substrat. Les récipients présentés ici doivent encore être agar pour garder l’humidité élevée. Cependant, avec de petits changements à la conception du récipient, il est possible de créer un tube amovible. Cette configuration peut permettre le tube d’être déconnectés de la chambre une fois que la croissance est terminée et taillés dans un système électrique. En outre, une fois que la santé du tube commence à se détériorer, il pourrait être reconnecté au nouvelles chambres pour l’alimentation et de répit jusqu'à ce qu’il a réparé lui-même et peut être réutilisé. La figure 8 montre une photo de longs tubes qui ont été déconnectés des chambres. Les recherches futures sont nécessaire pour enquêter sur les propriétés électriques du tube protoplasmique sans l’agar et lorsqu’il est cultivé à des longueurs à l’aide de la méthode présentée.

Les ordinateurs d’aujourd'hui sont construites en utilisant les trois éléments de circuit passif fondamentaux de deux bornes : le condensateur, la résistance et l’inductance. Des éléments passifs sont seulement capables de dissiper ou de stocker de l’énergie, ne générant pas d’elle. Ces éléments ont été créés dans le 18ème et 19ème siècle et sont liées par les équations de Maxwell. Nous définissons chacun de ces composants de trois circuit en ce qui concerne leur relation entre deux variables quatre circuit nommément, courant (I), tension (V), charge (Q) et flux-linkage (φ). L’accusation est l’intégrale de temps du courant et la Loi de Faraday définit la tension comme l’intégrale de temps du flux. Ainsi, un condensateur est défini par une relation entre la tension et de charge, une résistance est définie par une relation entre la tension et le courant et l’inducteur est définie par une relation entre flux et actuel. Depuis plus d’un siècle, ces éléments ont été des pierres angulaires de l’électronique. Toutefois, ils ne représentent que trois des paires quatre relations possibles entre les variables du circuit, laissant les flux-linkage et frais non liés. En 1971, Leon Chua a publié un document de1 où il postule qu’il y avait un quatrième élément manquant qui reliait les deux variables restantes, qu’il appela le memristor. Le memristor peut être décrite comme une résistance qui se souvient de son histoire, d'où la contraction de « résistance de la mémoire. » Cette fonction d’élément en modifiant sa résistance en fonction de l’importance de la tension appliquée précédemment et sa durée. En outre, le memristor conserve son dernier état de résistance une fois que la tension ne s’applique plus. À la différence du condensateur, résistance et inductance, comportement du memristor est non linéaire, qui est évidente dans son profil d’I-V où il se forme une boucle d’hystérésis pincé sous une tension alternative. Cette boucle prend la forme d’une figure de Lissajous contenant deux oscillations perpendiculaires des États haut et bas résistants. Avant la théorie memristance formalisée de Chua, les autres chercheurs avaient rendu compte des effets de mémoire résistance à certaines fréquences lors de l’expérimentation avec des matériaux tels que des polymères et des oxydes métalliques, ainsi que de développer des dispositifs électriques au micromètre 2de l’échelle. Toutefois, dans de nombreux cas, ces effets ont été jugées indésirables. Il a fallu près de quarante ans pour la formalisation de coté être connecté à un périphérique physique et aux chercheurs commencer à élaborer des méthodes d’exploitation des effets memristive. Une équipe aux laboratoires de HP a réussi à fabriquer un appareil de memristive en 20083 qui a déclenché un intérêt énorme dans l’élément.
Informaticiens ont un vif intérêt pour le memristor parce qu’elle étant crédité comme le premier élément à combiner les capacités de calcul et de mémoire en une seule unité. Il affiche également les comportements qui sont analogues à certains processus neurologiques tels que Spike-Timing-Dependent plasticité (PDTS)4, pour ne citer qu’un. Ces comportements donnent lieu à des perspectives de la construction de cerveau-comme des technologies informatiques qu’abandonnent la distinction entre mémoire et unité centrale de traitement (ou CPU)5. Par contraste avec les approches populaires au développement memristors (utilisant TiO2, par exemple), notre ambition est de développer un memristor-bio organique. En outre, nous nous intéressons à comment ce composant peut fournir explorant les paradigmes au-delà des approches traditionnelles à des dispositifs de calcul génies ; par exemple, les applications créatives dans le domaine de l’informatique musicale6.
Memristance est un effet que des chercheurs ont récemment découvert dans toute une gamme de systèmes biologiques. Par exemple, les propriétés memristive ont été observées dans l’aloe vera plantes7 et peau humaine8, pour ne citer que deux. Ces découvertes indiquent qu’il serait possible de mettre en œuvre des dispositifs de calcul et de mémoire sur des substrats biologiques. Exploiter des systèmes organiques au sein de la technologie peut permettre d’explorer des concepts passionnants tels qu’auto-assemblage, autoréparation, faible impact sur l’environnement et s’alimenter. Avant que nous puissions enquêter sur ces occasions cependant, plusieurs problèmes doivent être abordées. Beaucoup de systèmes biologiques qui ont des propriétés memristive ont des contraintes importantes qui limitent leur viabilité comme véritablement un composant électronique. Par exemple, une feuille de l’aloe vera7 a besoin de lumière, a une durée de vie limitée et serait difficile à intégrer dans un circuit. En outre, plusieurs autres en vivo memristive phénomènes, tels que les conduits de la sueur humaine8, ne sont pas des options actuellement faisables pour développer des systèmes pour une utilisation à l’extérieur du laboratoire et dans des systèmes électroniques tous les jours. Cependant, de tous les phénomènes de memristive, il y a un candidat potentiel : P. polycephalum.
Le plasmode du P. polycephalum est un système unicellulaire amorphe qui a été découvert pour agir comme un composant de memristive9,10. Cet organisme est un candidat idéal pour la recherche en électronique de matériel-wetware hybride pour un certain nombre de raisons. Tout d’abord, l’organisme est non pathogène, macroscopiques et ne nécessite aucune utilisation de matériel de spécialiste, qui restitue le plasmode accessible aux non-biologistes et ingénieurs. Deuxièmement, la cellule est amorphe, forme des réseaux de veines comme fil et peut croître dans la plupart des substrats (Figure 1). Ces propriétés permettent à la morphologie de la cellule être facilement délimitées afin d’être conforme à un schéma électrique classique. Il y a aussi des recherches démontrant que le plasmodium peut vivre pendant plus de quatre ans11, et que ses veines peuvent agir comme autorégénérant voies conductrices12. Plusieurs études de laboratoire ont confirmé memristive capacités9,10,13 de l’organisme , et maintenant le moment est venu d’explorer son potentiel.
L’idée d’utiliser P. memristors polycephalum est relativement nouvelle. En conséquence, il n’y a pas de normes établies pour mesurer et observer ses propriétés électriques. Un tel manque d’uniformité dans les procédures expérimentales au sein du même groupe de recherche et entre les groupes est peut-être la raison pour laquelle il existe des incohérences entre publié résultats9,10. Il est probable que cette variation est plus importante dans le traitement et les conditions de croissance échantillon. Ainsi, nous devons établir des procédés de production et essais P. polycephalum memristors où les facteurs qui pourraient causer des erreurs sont mieux contrôlé et surveillé.  En outre, nous avons besoin créer des méthodes de mise en œuvre de P. polycephalum memristors qui permettent une intégration facile et stable dans les systèmes électriques.
La méthode présentée dans le présent document fournit une plate-forme pour l’exploration des applications pratiques de P. polycephalum memristors en fournissant les moyens d’intégrer l’organisme en tant que composant dans un schéma électrique. Il est probable que ces techniques fera appel à des ingénieurs qui cherchent à explorer les usages réels des systèmes hybrides de matériel-wetware. En outre, il est accessible aux profanes (p. ex., les amateurs de prototypage électronique open source) qui pourraient être intéressées à expérimenter avec les aspects de l’informatique non conventionnelles, mais ont eu du mal à trouver des prototypes pour s’adapter à leur besoins. Certaines applications potentielles peuvent inclure la mise en œuvre de modèles probabilistes, exploitant les memristors, comportement, développement d’approches lorsque vous exécutez l avec état de dopageOGIC opérations et modélisation des processus neurologiques pour le stockage de l’information et traitement.

<table><tbody><tr><td>Filament PLA conducteur 2.85mm</td><td>Fonctionnaliser</td><td>FE_1LB_2.85MM</td><td>Filament conducteur d’impression 3D</td></tr><tr><td>Filament HIPS 3mm 1KG (noir)</td><td>NuNus</td><td>104856</td><td>Filament d’impression 3D</td></tr><tr><td>Filament de nettoyage, 3mm, 0.1 kg, Natural</td><td>3D Prima</td><td>3DPCLEAN300</td><td>Filament de nettoyage 3D</td></tr><tr><td>Lulzbot Taz 5</td><td>Lulzbot</td><td>TAZ 5</td><td>Imprimante 3D Poudre d’agar</td></tr><tr><td></td><td>Sigma-Aldrich</td><td>0504</td><td>Poudre de gélose microbiologique non nutritive</td></tr><tr><td>4 mm ID x 6 mm OD Tuyau de tuyau en PVC transparent 5 mètres</td><td>Amazon</td><td>B008NC4JUO</td><td>Rouleau de tube en PVC</td></tr><tr><td>Physarum polycephalum Plasmodium, Living, Plate</td><td>Carolina Biological Supply Company</td><td>156193</td><td>culture de Plasmodium.</td></tr><tr><td>Flocons d’avoine</td><td>Carolina Biological Supply Company</td><td></td><td>Flocons de chêne pour nourrir le 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 Source de tension programmable</td><td>Keithley Instruments</td><td></td><td>Instrument de source de tension.</td></tr><tr><td>617 Électromètre programmable</td><td>Keithley Instruments</td><td></td><td>Électromètre pour mesurer les courants faibles.</td></tr></tbody></table>

une méthode pour cultiver bio-memristors de myxomycètes

A Method for Growing Bio-memristors from Slime Mold

Notre recherche vise à acquérir une meilleure compréhension des propriétés électroniques d’organismes pour nouveaux systèmes bioélectroniques et des architectures informatiques basées sur la biologie de l’ingénieur. Ce bac à papier met l’accent sur l’exploitant l’unicellulaire myxomycète Physarum polycephalum pour développer des bio-memristors (ou biologique memristors) et appareils de bio-informatique. Le memristor est une résistance qui possède la mémoire. C’est le 4e circuit passif fondamentaux élément (les trois autres sont la résistance, le condensateur et l’inductance), qui ouvre la voie à la conception de nouveaux types de systèmes informatiques ; par exemple, les ordinateurs qui pourraient abandonner la distinction entre le stockage et une unité centrale de traitement. Lorsqu’il est appliqué avec une tension alternative, le courant vs caractéristique de la tension d’un memristor est un cycle d’hystérésis pincé. Il a été démontré que P. polycephalum produit des cycles d’hystérésis pincé sous tensions AC et affiche un comportement adaptatif qui est comparable avec le fonctionnement d’un memristor. Cet article présente la méthode que nous avons développées pour mettre en œuvre des bio-memristors avec P. polycephalum et introduit le développement d’un récipient à la culture de l’organisme, ce qui facilite son déploiement comme un élément de circuit électronique. Notre méthode s’est avérée diminuer le temps de croissance, augmenter la durée de vie de composant et normaliser les observations électriques.

Pour produire des résultats représentatifs, nous avons mis en place 5 échantillons à l’aide de la méthode décrite ci-dessus. Pour un contrôle, 5 échantillons ont été également organisées à l’aide de la méthode décrite à la P. polycephalum début memristor enquêtes9,10. Ici, nous avons placé deux électrodes espacés d’une distance d’environ 10 mm dans les boîtes de Petri de 60 mm. Chaque électrode se composait d’un cercle (environ 20 mm de diamètre) de fil de cuivre étamé (16 correspond à 0,2 mm) rempli d’une gélose désionisée de 2 % non nutritifs (~ 2 mL). Tous les échantillons ont été contrôlés par l’intermédiaire de Time-lapse imagerie de revoir les temps de croissance. Ici, les échantillons de 5 récipient connecté les deux électrodes dans les 10 h après l’inoculation. Le plus rapide d'entre eux a augmenté en moins de 2 h, et le plus long a été de 10 h, avec le temps moyen de croissance moyenne à travers toutes les 5 échantillons de 7 h 24 min. Quatre des échantillons de contrôle produit une liaison tube protoplasmique et celle propagée hors tension de l’électrode de l’inoculation, mais desséchées avant il fait le lien nécessaire. Le plus rapide des échantillons de contrôle fait son lien au sein de 19 h alors que le plus lent a 36 h, avec un temps de croissance moyenne dans les trois échantillons de contrôle de 26 h 15 min. Ces résultats montrent une diminution significative des temps de croissance pour memristors cultivés à l’aide de la méthode présentée.
Le profil d’I-V d’un memristor est sa caractéristique la plus déterminante. À ce titre, nous avons réalisé mesures I-V sur les échantillons pour produire des résultats représentatifs pour ce document. Ici, les mesures de courant instantanés sont faites à chaque point d’une onde sinusoïdale de tension de 160 étages. Chaque étape de la tension avait un temps de pause statique de 2 s. mesures électriques ont été faites à l’aide d’une Source de tension Programmable 230 et un électromètre Programmable 617. Ces appareils ont été sélectionnés car ils sont capables de s’approvisionner de tension et prendre des mesures en haute résolution. Expériences ont été réalisées à température ambiante dans une pièce non éclairée.
La figure 6 montre les courbes I-V typique produites à partir de tests sur P. polycephalum memristors. Figure 6C et 6D montrent les emplacements avec des mesures représentatives de composants implémentés dans les boîtes de Pétri. Les résultats à l’aide de cette méthode montrent que, même si les courbes mesurées sur le même échantillon sont morphologiquement semblables, hystérèse varie fortement d’échantillon. Une telle variation comprend l’emplacement des points de pincement, l’ampleur des lobes tant positives que négatives et la symétrie entre les mesures dans les domaines de tension positive et négative. Ainsi, les courbes I-V mesurées sur memristors à l’aide de la méthode de la boîte de Pétri ne sont pas l’empreinte d’un memristor « idéal » car les points de pincement ne sont pas à zéro tension et courant. Figure 6 a et 6 b montrent les graphiques avec des mesures représentatives de memristors cultivés dans les récipients. Les emplacements de point de pincement et la taille de lobe de ces cycles d’hystérésis est relativement stable en courbes discrètes échantillon testés sous des gammes de tension différente et pas de temps et les courbes d’échantillon. Par conséquent, courbes I-V prise étaient plus réminiscent de l’empreinte d’un memristor « idéale », où les points de pincement étaient toujours du singulier et presque constamment à zéro tension et courant. Cependant, bien que morphologies hystérésis étaient semblable d’un échantillon à l’autre, il y avait variation de résistance globale entre les échantillons. .
Une fois terminées les mesures initiales I-V, essais ont été effectués sur chaque échantillon une fois par jour jusqu'à ce qu’ils ont ne présenté aucune memristive courbes. Les échantillons de 4 contrôle, 2 taris en 2 jours de tests initiaux, tandis que les 2 autres a continué d’enregistrer des courbes pincés pour une nouvelle période de 2 jours. Les échantillons de récipient maintient leur memristance pendant au moins 7 jours, avec 3 échantillons dépassant celle. Au fil du temps, chacun des tubes protoplasmique de l’exemple de la prise de courant est devenu plus épais et il y avait une diminution de résistance globale, avec des échantillons de mesure a x 10-04 gamme 10 V fonctionne contre A x 10-05 dans leurs tests antérieurs.
On se reportera à l’article de Brabant14 résultats sur les tests approfondis du récipient présenté.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig1.jpg"> 
Figure 1 : Une photo d’une culture de 2 jours de plasmodium de P. polycephalum. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig1large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig2.jpg"> 
Figure 2 : Une capture d’écran du fichier STL prise après qu’il est chargé dans le logiciel tranchage. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig2large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig3.jpg"> 
Figure 3 : une capture d’écran du fichier STL électrode après qu’il est chargé dans le logiciel tranchage. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig3large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig4.jpg"> 
Figure 4 : Une capture d’écran de la configuration de paramètres pour imprimer le modèle STL d’électrode.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig5.jpg"> 
Figure 5 : Deux photographies représentant P. polycephalum memristors implémenté dans une boîte de Pétri (à gauche) et à l’aide de la méthode présentée dans cet article (à droite). <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig5large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig6.jpg"> 
Figure 6 : Quatre graphiques I à V qui ont été produites de deux memristors cultivés dans les récipients (a, b) et deux mises en œuvre dans les boîtes de Pétri (c, d). <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig6large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig7.jpg"> 
Figure 7 : Photographies montrant le récipient servant à cultiver des tubes de différentes longueurs.
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig8.jpg"> / > Figure 8 : une photo montrant des tubes protoplasmiques qui ont été déconnectés des chambres de.

Cet article présente une méthode améliorée pour la culture bio-memristors hors le plasmode de Physarum polycephalum. Une telle méthode s’est avérée diminuer le temps de croissance, augmenter la durée de vie de composant, normaliser les observations électriques et créer un environnement protégé qui peut être intégré dans les circuits classiques.

Une méthode pour cultiver Bio-memristors de myxomycètes

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

L'objectif général de cette procédure est de normaliser la mise en œuvre de mémristors à base de Physarum polycephalum, afin de commencer à faciliter leur intégration dans les technologies. Grâce à ces méthodes, nous pouvons commencer à étudier les applications pratiques des composants basés sur Physarum polycephalum en dehors du laboratoire et dans le monde réel. Le principal avantage de cette technique est qu'elle transforme les composants en une forme à la fois accessible aux non-spécialistes et réalisable à intégrer dans un schéma analytique.Nous avons eu pour la première fois l'idée de cette méthode en développant un système de traitement musical utilisant des memristors à base de Physarum polycephalum pour des performances en temps réel. En concevant un système basé sur ces composants destiné à un usage en dehors du laboratoire, il a fallu résoudre des problèmes de praticité. Pour commencer, insérez d'abord le polystyrène à haute résistance dans l'imprimante 3D.Ensuite, préparez l’imprimante 3D à l’utilisation. Réglez la température du plateau d’impression à 85 degrés Celsius et celle de l’extrudeuse à 230 degrés Celsius. Une fois les températures cibles atteintes, desserrez le bras du galet, insérez le filament et poussez vers le bas jusqu’à ce que le polystyrène sorte de l’extrémité chaude.Ensuite, resserrez à nouveau le bras du galet du filament et retirez le matériau extrudé. Puis, dans le logiciel de commande, chargez le fichier modèle STL du réceptacle 3D. Si différentes qualités d'impression élevées ou basses sont proposées, sélectionnez une impression de haute qualité, tout en vous assurant que le profil du matériau correct est choisi.Après avoir rassemblé les pièces, utilisez une brosse à fils fins pour nettoyer délicatement la douille de l'électrode de toute imperfection susceptible d'entraver l'assemblage du dispositif. Ensuite, sur l'imprimante, remplacez le filament HIPS par un filament de nettoyage. Puis faites passer un volume suffisant de matériau à travers la tête d'impression afin de garantir un nettoyage complet.Ensuite, chargez l’imprimante avec un filament de polylactide électriquement conductive ayant une faible résistivité volumique. Réglez ensuite la température du plateau d’impression à 60 degrés Celsius et celle de l’extrudeuse à 230 degrés Celsius. Une fois les températures atteintes, extrudez plusieurs centimètres de filament afin de vous assurer que toutes les particules résiduelles des sessions précédentes sont éliminées.Maintenant, chargez le fichier STL pour l'électrode et, dans les paramètres d'impression, spécifiez les réglages requis pour la hauteur de couche, l'épaisseur des parois latérales, les épaisseurs inférieure et supérieure, ainsi que la densité de remplissage. Une fois l'impression terminée, laissez les électrodes refroidir à température ambiante sur le plateau d'impression avant de les manipuler. Cela garantit que la pièce ne se déforme pas et ne change pas de forme.Pour assembler les pièces, insérez délicatement d'abord l'électrode dans chacune des deux chambres. Elle doit s'insérer sans nécessiter beaucoup de force. Ensuite, à l'aide d'un scalpel bien aiguisé, découpez soigneusement un morceau de tube en PVC de 10 mm, en effectuant des coupes droites et nettes.Ensuite, insérez délicatement chaque extrémité du tube en PVC de 10 mm sur le rebord des deux électrodes. Une fois raccordé, fixez les deux chambres sur la base. En préparation, préparez un agar non nutritif à deux pour cent.Une fois que l'agar a refroidi à environ 55 degrés Celsius, utilisez une pipette de 2 mL pour transférer l'agar dans les chambres du récipient. Maintenez la pointe de la pipette à environ 5 mm au-dessus de la surface et remplissez lentement les puits jusqu'au bas du trou du tube de connexion, en veillant à ne pas introduire de bulles d'air. Immédiatement après avoir rempli les puits, placez un couvercle sur chacune des chambres et mettez le récipient de côté jusqu'à ce que l'agar ait pris et atteint la température ambiante.Ensuite, placez un flocon d'avoine sur l'agar dans chaque chambre. Puis, retirez un agrégat de 2 mL de pseudopodes à partir d'une culture de plasmode ayant subi 12 heures de privation. Pour favoriser une croissance rapide, essayez de prélever le protoplasme à partir de l'extrémité antérieure la plus active de l'organisme.Ces récipients sont assez robustes et devraient être prêts à l'emploi en moins de 12 heures. Les récipients sont prêts une fois que le plasmode a établi une connexion entre les deux électrodes. Cela peut être facilement distingué en examinant l'organisme à travers le tube en PVC transparent.Cinq échantillons ont été préparés comme décrit et suivis par imagerie en laps de temps pour examiner leur durée de croissance. Dans les 10 heures suivant l'inoculation, les cinq échantillons ont établi une connexion entre les deux électrodes. L'un d'eux l'a fait en moins de deux heures.Le profil IV de notre memristor est sa caractéristique la plus distinctive. Des mesures instantanées du courant ont été effectuées à chaque point d'une onde sinusoïdale de tension en 160 paliers. Chaque palier de tension avait un temps de séjour statique de deux secondes.Les expériences ont été réalisées à température ambiante dans une pièce non éclairée. Il existait une forte corrélation entre les courbes individuelles mesurées à différents intervalles de temps et plages de tension, ainsi qu'entre les courbes d'échantillon à échantillon. Les boucles d'hystérésis présentaient des lobes de taille relativement constante ainsi que des points de pincement similaires.Cela rappelle l'empreinte idéale d'un memristor, où les points d'étranglement sont toujours uniques et presque constamment situés à une tension et un courant nuls. Après avoir terminé les mesures initiales de caractéristiques courant-tension (IV), des tests ont été effectués sur chaque échantillon une fois par jour, jusqu'à ce qu'ils cessent de présenter des données de manière typique d'un memristor. Sur les cinq échantillons, tous ont fonctionné pendant au moins sept jours.Au fil du temps, les tubes protoplasmiques sont devenus plus épais et une diminution de la résistance globale a été observée sur une période d'environ un jour, suivie d'une augmentation, certains échantillons atteignant des valeurs de courant comprises entre 10 à la puissance moins 4 lors d'essais à 10 volts, bien qu'ils aient auparavant affiché des valeurs de l'ordre de 10 à la puissance moins 5. Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez être en mesure de réaliser des expériences avec des mémristeurs biologiques sans avoir accès à des laboratoires bien équipés ni à du matériel coûteux. Cette technique a ouvert la voie aux chercheurs du domaine de l'informatique non conventionnelle pour explorer l'utilisation de mémristeurs biologiques dans des applications pratiques.Une fois maîtrisée, la mise en place des récipients prend moins d'une heure, et la croissance sera terminée en moins de 12 heures. Lors de la réalisation de cette procédure, il est important de garder à l'esprit que la vitesse de croissance dépend fortement de l'état de la culture de Physarum polycephalum. Après cette procédure, d'autres expériences peuvent être réalisées afin de répondre à des questions supplémentaires, telles que : Quel est le mécanisme biologique à l'origine de la memristance chez Physarum polycephalum ?

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