שיטה לגידול ביו-memristors מן העיפוש רפש
2 בנובמבר 2017
מאמר זה מציג שיטה משופרת לגידול ביו-memristors מתוך הפלזמודיום של Physarum polycephalum. השיטה הוכיחה להקטין זמן גדילה, להגדיל את תוחלת החיים של רכיב, לתקנן תצפיות חשמל וליצור סביבה מוגנת שמסוגלת ניתן לשלב המעגלים קונבנציונלי.
המטרה הכוללת של הליך זה היא לתקנן את היישום של ממריסטורים מבוססי Physarum polycephalum, כדי להתחיל להקל על שילובם בטכנולוגיה. באמצעות שיטות אלה אנו יכולים להתחיל לחקור את היישומים המעשיים של רכיבים מבוססי Physarum polycephalum, מחוץ למעבדה ובעולם האמיתי. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שהיא הופכת את הרכיבים לצורה שהיא גם נגישה לאנשים שאינם מומחים וגם ניתנת לשילוב בסכימה אנליטית.
הרעיון לשיטה זו עלה לראשונה כאשר פיתחנו מערכת עיבוד מוזיקלית שרתמה ממריסטורים מבוססי פוליצפלום Physarum לביצוע בזמן אמת. על ידי פיתוח מערכת המבוססת על רכיבים אלה מחוץ למעבדה, היה צורך לטפל בסוגיות של פרקטיות. כדי להתחיל, טען תחילה את הפוליסטירן בעל ההשפעה הגבוהה למדפסת התלת מימד.
לאחר מכן, הכן את מדפסת התלת מימד לשימוש. הגדר את טמפרטורת מיטת ההדפסה ל-85 מעלות צלזיוס, ואת המכבש ל-230 מעלות צלזיוס. ברגע שמגיעים לטמפרטורות היעד, שחררו את זרוע הסרק, הכניסו את החוט ודחפו כלפי מטה, עד שהפוליסטירן יוצא מהקצה החם.
לאחר מכן, הדק מחדש את זרוע סרק החוטים והסר את החומר המוחצן. לאחר מכן, בבקרת התוכנה, טען את קובץ מודל STL עבור השקע התלת-ממדי. ואם יש איכויות הדפסה גבוהות או נמוכות לבחירה, הפוך את ההדפסה לאיכותית, תוך הקפדה על בחירת פרופיל החומר הנכון.
לאחר איסוף החלקים, השתמש במברשת תיל דקה כדי לנקות בעדינות את שקע האלקטרודה מכל פגמים שעלולים להפריע להרכבת המכשיר. כעת, במדפסת, החלף את חוט ה-HIPS בחוט ניקוי. והעבירו כמות גדולה של חומר דרך ראש ההדפסה כדי להבטיח ניקוי יסודי.
לאחר מכן, טען את המדפסת בחוט חומצה פולילקטית מוליך חשמלי בעל התנגדות בנפח נמוך. לאחר מכן, הגדר את טמפרטורת מיטת ההדפסה ל-60 מעלות צלזיוס, ואת המכבש ל-230 מעלות צלזיוס. כאשר מגיעים לטמפרטורות, הוצא כמה סנטימטרים מהחוט כדי להבטיח שכל החלקיקים מהמפגשים הקודמים יוסרו.
כעת, טען את קובץ ה-STL עבור האלקטרודה, ובהגדרות ההדפסה, ציין את ההגדרות הנדרשות לגובה השכבה, עובי המדף, העובי התחתון והעליון וצפיפות המילוי. לאחר ההדפסה, הניחו לאלקטרודות להתקרר לטמפרטורת החדר על מצע ההדפסה לפני הטיפול בהן. זה מבטיח שהחלק לא יתעוות ולא יתעוות.
כדי להרכיב את החלקים, החלק תחילה בעדינות את האלקטרודה לכל אחד משני התאים. זה צריך להיכנס בלי הרבה כוח. לאחר מכן, בעזרת אזמל חד, חותכים בזהירות חתיכה של צינור PVC בגודל 10 מ"מ, מה שהופך כל חתך ישר ונקי.
לאחר מכן, הקל בעדינות על כל קצה של צינור ה-PVC בגודל 10 מ"מ מעל שפת שתי האלקטרודות. לאחר החיבור, הצמד את שני התאים לבסיס. בהכנה, הכינו אגר שאינו מזין בשני אחוזים.
לאחר שהאגר התקרר לכ-55 מעלות צלזיוס, השתמש בפיפטה של 2 מ"ל כדי להעביר אגר לתאי השקע. רחפו עם ציפורן הפיפטה כ-5 מ"מ מעל פני השטח ומלאו לאט את הבארות עד לתחתית חור צינור החיבור, תוך הקפדה על כך שלא יוכנסו בועות אוויר. מיד לאחר מילוי הבארות, הניחו מכסה על כל אחד מהתאים והניחו את כלי הקיבול בצד עד שהאגר התייצב והגיע לטמפרטורת החדר.
לאחר מכן, הניחו פתית שיבולת שועל על האגר בכל תא. לאחר מכן, הסר כתם אחד של 2 מ"ל של פסאודופודים מתרבית מורעבת של 12 שעות של פלסמודיום. כדי לקדם צמיחה מהירה, נסה לקחת את הפרוטופלזמה מהחלק הקדמי הפעיל ביותר של האורגניזם.
שקעים אלה חזקים למדי ואמורים להיות מוכנים לשימוש תוך 12 שעות. השקעים מוכנים לאחר שהפלסמודיום יצר חיבור בין שתי האלקטרודות. ניתן להבחין בכך בקלות על ידי בחינת האורגניזם דרך צינור ה- PVC השקוף.
חמש דגימות הוכנו כמתואר, ונוטרו באמצעות הדמיות זמן-lapse כדי לסקור את זמן הצמיחה שלהן. תוך 10 שעות מהחיסון, כל חמש הדגימות חיברו את שתי האלקטרודות. אחד מהם עשה זאת תוך פחות משעתיים.
פרופיל הווריד של הממריסטור שלנו הוא המאפיין המגדיר ביותר שלו. מדידות זרם מיידיות נעשו בכל נקודה של גל סימן מתח בן 160 צעדים. לכל שלב מתח היה זמן שהייה סטטי של שתי שניות.
הניסויים נערכו בטמפרטורת החדר בחדר לא מואר. היה קשר חזק בעקומות מדגם בודדות שנמדדו בשלבי זמן וטווחי מתח שונים ובעקומות מדגם למדגם. לולאות ההיסטרזיס היו גדלי אונות עקביים יחסית כמו גם מיקומי צביטה.
זה מזכיר את חתימת-השטח האידיאלית של ממריסטור שבה נקודות צביטה הן תמיד בודדות וכמעט באופן עקבי במתח וזרם אפס. לאחר השלמת המדידות הראשוניות של העירוי, נערכו בדיקות על כל דגימה פעם ביום, עד שלא הצליחו להציג נתונים בצורה דמוית ממריסטור. מתוך חמש הדגימות, כולן תפקדו לפחות שבעה ימים.
עם הזמן, הצינורות הפרוטופלזמיים נעשו עבים יותר והייתה ירידה בהתנגדות הכוללת במשך יום בערך, לפני עלייה, כאשר חלק מהדגימות נמדדו בטווח של 10 עד שלילי 4 עבור זרם במהלך ריצות של 10 וולט, למרות שרצו בטווח של 10 עד שלילי 5 במהלך הבדיקות הקודמות שלהם. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להיות מסוגל להתנסות בממריסטורים ביולוגיים מבלי שתהיה לך גישה למעבדות בעלות משאבים טובים וציוד יקר. טכניקה זו סללה את הדרך לחוקרים בתחום המחשוב הלא קונבנציונלי לחקור את השימוש בממריסטורים ביולוגיים ביישומים מעשיים.
לאחר השליטה, ניתן להגדיר את כלי הקיבול תוך פחות משעה, והצמיחה תושלם תוך 12 שעות. בזמן ניסיון הליך זה, חשוב לזכור שמהירות הצמיחה תלויה מאוד במצב של תרבית הפוליצפלום של Physarium. בעקבות הליך זה, ניתן לבצע ניסויים נוספים על מנת לענות על שאלות נוספות כמו, מהו המנגנון הביולוגי מאחורי Physarum polycephalum memristance?
סקירה כללית
מחקר זה מציג שיטה לגידול ביו-ממריסטורים מתוך הפלסמודיום של *Physarum polycephalum*, המשפרת את יעילות הגדילה ואת אורך החיים. הטכניקה שואפת להקל על שילובם של רכיבים ביולוגיים אלו בטכנולוגיה מעשית.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדע
- מחשוב ביולוגי
- טכנולוגיית ממריסטור
- יישומים של Physarum polycephalum
רקע
- Physarum polycephalum הוא עובש רירי הידוע בתכונות הגדילה הייחודיות שלו.
- ממריסטורים הם רכיבי מעגל לא-ליניאריים פסיביים בעלי שני הדקים.
- שילוב של רכיבים ביולוגיים בטכנולוגיה מציב אתגרים ייחודיים.
- מחקר זה עוסק ביישומים מעשיים של ביו-ממריסטורים.
מטרת המחקר
- לסטנדרטיזציה של גידול ממריסטורים המבוססים על Physarum polycephalum.
- לאפשר לאנשים שאינם מומחים להשתמש ברכיבים אלו בטכנולוגיה.
- לבחון את היישומים המעשיים של ממריסטורים ביולוגיים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הדפסת תלת-ממד של מכלי קיבול להרכבת ממריסטורים.
- הכנת אגר והזרקה של Physarum polycephalum.
- ניטור הצמיחה והמאפיינים החשמליים של הממריסטורים.
- דימוי במרווחי זמן (Time-lapse) להערכת זמן הצמיחה ויצירת החיבורים.
תוצאות עיקריות
- כל הדגימות חיברו אלקטרודות בתוך 10 שעות, כאשר דגימה אחת חיברה אותן בתוך פחות מ-2 שעות.
- הממריסטורים הפגינו מאפייני IV עקביים לאורך זמן.
- הרכיבים נשארו תפקודיים למשך שבעה ימים לפחות.
- מהירות הגדילה השתנתה בהתאם למצבה של תרבית ה-Physarum.
מסקנות
- שיטה זו מפשטת את הניסויים עם ממריסטורים ביולוגיים.
- היא פותחת נתיבים למחקר במחשוב לא קונבנציונלי.
- מחקרים עתידיים יוכלו לבחון מנגנונים ביולוגיים נוספים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
גידול סטנדרטי של ביו-ממריסטורים המבוססים על Physarum polycephalum מאפשר חקירה של רכיבי מעגלים ביולוגיים עבור ארכיטקטורות מחשוב לא קונבנציונליות. שיטה זו מקצרת את זמן הצמיחה, מאריכה את אורך חיי הרכיבים ותומכת באפיון חשמלי הדיר, ובכך מציבה את הביו-ממריסטורים כמועמדים למחקר ופיתוח בביו-אלקטרוניקה מהדור הבא. שילוב של רכיבים ממריסטיים חיים עשוי לסייע בבניית אבות-טיפוס של התקנים בשלבים מוקדמים ובתיקוף תפקודי בפורטפוליו של מחשוב ביולוגי.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופרמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בחינה של מנגנונים ביולוגיים העומדים בבסיס התנהגות ממריסטית במערכות חיות.
- תומך בתיקוף פונקציונלי של תכונות ביו-אלקטרוניות לצורך הפחתת סיכונים בקונספט של המכשיר.
- מקל על חקירה מונחית-השערות של רכיבי מעגלים ביולוגיים אדפטיביים.
סריקה ופיתוח בדיקה
- מספק פלטפורמות סטנדרטיות וניתנות לשחזור למדידה חשמלית של רכיבים ביולוגיים.
- מאפשר הערכה כמותית של מאפייני זרם-מתח על פני מספר דגימות.
- תומך ביכולת הרחבה (scalability) של הבדיקה ובשחזוריות של רכיבים עבור סריקת מכשירים בשלבים הבאים.
מחקר תרגומי וטרום-קליני
- מתיישב עם מחקר תרגומי בביו-מחשוב על ידי גישור בין אינטגרציה של מערכות ביולוגיות לאלקטרוניות.
- מציע רצף מגילוי תכונות ביולוגיות ועד לבניית אבות-טיפוס של התקנים פונקציונליים.
- תומך בקידום מנוהל-סיכונים של קונספטים ביו-אלקטרוניים לעבר יישומים מעשיים.
שילוב תהליכי עבודה ומסלולי עיבוד (Pipeline & Workflow Integration)
שיטה זו מתאימה לממשק שבין השלבים המוקדמים של הגילוי לבין בניית אב-טיפוס של התקנים, ומאפשרת בדיקה חזרתית של היפותזות ותיקוף תפקודי של אלמנטים ביו-ממריסטיביים.
- ביולוגיה של גילוי: תומך במחקרים מכניסטיים של memristance באורגניזמים חיים ובבירור מסלולים ביולוגיים.
- סריקה: מספק מדידות IV כמותיות הניתנות לשחזור לצורך ניתוח השוואתי.
- אנליטיקה: מספק קריאות חשמליות סטנדרטיות, כולל לולאות היסטרזיס מצומצמות (pinched hysteresis loops), להערכה חסונה של דגימות.
- מחקר תרגומי: מקל על שילוב רכיבים ביולוגיים בתהליכי עבודה של מכשירים פרה-קליניים.
- שימוש חוזר ארגוני: מבסס פלטפורמה לשימוש חוזר עבור מו"פ ביו-אלקטרוני שוטף וסטנדרטיזציה בין פרויקטים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי בתפקוד הביו-ממריסטור ומפחית עמימות מכניסטית.
- ערך תפעולי: משפר את השחזוריות, הסטנדרטיזציה והיכולת להרחבה (scalability) של הכנת רכיבים ביו-אלקטרוניים.
- ערך אסטרטגי: מספק מידע לקבלת החלטות לגבי המשך או הפסקת פיתוח (go/no-go) של קונספטים למכשירי ביו-מחשוב ומבצע אופטימיזציה להקצאת משאבים.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תעדוף של פרויקטי חדשנות ביו-אלקטרונית בהתאם לסיכונים.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בטכניקות של תרביות ביולוגיות ומדידות חשמליות.
- נדרשת גישה להדפסת תלת-ממד ומכשור אנליטי בסיסי לצורך בניתוח פרופילי IV.
- נדרשת סטנדרטיזציה של פרוטוקולי גידול ומדידה בין צוותים שונים.
- ייתכן שיידרש ביצוע התאמות עבור מודלים ביולוגיים או פורמטים של התקנים שונים.
- מהירות הגידול וביצועי הרכיבים תלויים במצב התרבית של ה-Physarum ובתנאי הסביבה.
