Name: Un metodo per la coltivazione Bio-memristors da muffa di melma (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-11-02T12:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 46 s
Description: Scopri come coltivare bio-memristors da Physarum polycephalum per applicazioni di calcolo non convenzionale. Questo metodo standardizzato rende accessibili i componenti biologici anche ai non esperti.

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Questa ricerca è stata finanziata dalla scuola di scienze umanistiche dell'Università di Plymouth e Performing Arts. Gli autori desidera ringraziare Functionalize per la fornitura di campioni del loro PLA conduttivo.

1. fabbricazione di un recipiente stampato 3D <ol><li>Chambers, coperchi e base <ol><li>carico un 3D stampante con polistirene antiurto (HIPS) utilizzando l'interfaccia della stampante per impostare la temperatura di stampa letto a 85 ° C e l'estrusore a 230 ° C. Quando le temperature sono raggiunte, allentare il braccio della puleggia folle, inserire il filamento e spingere verso il basso fino a quando non inizia a estrudere dalla fine della calda. Quindi, serrare nuovamente il braccio della puleggia folle filamento e rimuovere il materiale estruso.</li>
		<li>Importare il file di modello di recipiente 3D STL in una stampa 3D affettare software, che normalmente può essere raggiunta passando alla scheda file e selezionando le opzioni di importazione/Apri ( Figura 2).</li>
		<li>Se affettare software offre alta e bassa impostazioni di stampa di qualità, selezionare alta qualità garantendo al contempo che sia selezionato il profilo materiale corretto. 
		Nota: Se stampa recipienti diversi in una sola volta, assicurarsi che il software è impostato per stampare ogni oggetto uno alla volta. Se viene saltato questo passaggio, la qualità di stampa può essere ridotta, che probabilmente causerà problemi di tolleranza durante il montaggio le parti insieme.</li>
		<li>Una volta completata la stampa, attendere che la temperatura di stampa letto è inferiore a 50 ° C per rimuovere le parti.</li>
		<li>Delicatamente con una spazzola di filo sottile, deselezionare il socket di elettrodo di eventuali imperfezioni che possono causare ostruzioni durante il montaggio della camera con un elettrodo.</li>
	</ol></li> <li>Elettrodi <ol><li>sostituire il filamento fianchi per un filamento di pulizia ed eseguire un sacco di materiale attraverso la testina di stampa.</li>
		<li>Caricare la stampante con un filamento di acido (PLA) elettricamente conduttivo polilattico che ha una resistività di volume o meno 0.75 Ω-cm.</li>
		<li>Impostare la temperatura di stampa letto a 60 ° C e l'estrusore a 230 ° C (Vedi punto 1.1.1 per l'orientamento).</li>
		<li>Quando le temperature sono raggiunte, estrudere parecchi centimetri del filamento attraverso la testina di stampa. Questo processo contribuirà a garantire che tutte le particelle dalle sessioni precedenti vengono rimossi.</li>
		<li>Utilizzando una stampa 3D affettare software, caricare il file STL elettrodo ( Figura 3).</li>
		<li>Nelle impostazioni di stampa, specificare quanto segue: altezza di strato = 0,16 mm, lo spessore del guscio = 1,7 mm, spessore della parte inferiore/superiore = 0,74 mm, densità di riempimento = 100% ( Figura 4).</li>
		<li>Se stampa parecchi elettrodi in una sola volta, impostare la stampante per stampare uno alla volta.</li>
		<li>Una volta stampato, lasciare gli elettrodi sul letto di stampa fino a quando si saranno raffreddate a temperatura ambiente. In questo modo la parte non diventare deformata e deformata.</li>
	</ol></li> <li>Montaggio presa <ol><li>Slot un elettrodo in ciascuna delle due camere. Se passo 1.1.5 è stata completata correttamente, gli elettrodi dovrebbero andare negli alloggiamenti senza molta forza.</li>
		<li>Utilizzando un bisturi affilato, tagliare un pezzo di 10 mm di cloruro di polivinile (PVC) tubo (diametro interno 4 mm e diametro esterno 6 mm) avendo cura di assicurare che ogni fine è tagliato dritto ed in modo pulito.</li>
		<li>Smuoverlo con ogni estremità del tubo del PVC 10 mm oltre il bordo dei due elettrodi.</li>
		<li>Una volta collegato, le due camere di clip nella base.</li>
	</ol></li></ol> 2. Preparazione del recipiente e il p. polycephalum inoculazione <ol><li>preparazione media 2% agar <ol><li>mettere 2 g di agar microbiologica non-sostanza nutriente polvere in un flacone di vetro da 250 mL.</li>
		<li>Aggiungere 100 mL di acqua deionizzata e mescolare bene.</li>
		<li>Autoclave la bottiglia per 12-15 minuti a 121 ° C o posto in un bagno di acqua bollente per 15-20 min.</li>
	</ol></li> <li>Impostazione il substrato di agar nel recipiente &#39; chambers s <ol><li>sciogliere l'agar utilizzando un bagno d'acqua o un forno a microonde.</li>
		<li>Riempire una pipetta 2ml con agar fuso.</li>
		<li>Riempire ogni del recipiente &#39; chambers s passando la punta della pipetta circa 5 mm di sopra della base interna e lentamente riempiendo i pozzetti fino al fondo del collegamento tubo foro.</li>
		<li>Immediatamente dopo aver riempito i pozzetti, mettere un coperchio su ciascuno degli alloggiamenti e accantonato il recipiente fino a quando l'agar ha fissato e raggiunto la temperatura ambiente.</li>
	</ol></li> <li>Il p. polycephalum inoculazione <ol><li>inserire un fiocco di avena in ciascuna delle due camere.</li>
		<li>Rimuovere un blob di 2 mL di pseudopodi da un affamato (circa 12 h) cultura del plasmodium e inserirlo in una delle due camere. Per promuovere la crescita rapida, cercare di prendere il protoplasma dai più attivi anteriore dell'organismo.</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>

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Questa carta ha presentato un metodo per la coltivazione memristors fuori il mixomicete il p. polycephalum. L'organismo è cresciuto all'interno di recipienti di stampati 3D che sono stati progettati per superare alcuni dei limiti che sono associati all'implementazione del bio-memristors. Tali limitazioni includono il tempo di setup, tempo di crescita del campione e mancanza di standardizzazione per le condizioni di crescita di campione a campione e osservazioni elettriche.
Il nostro recipiente è stato rivelato nel 2015 nel materiale pubblicitario stampato per il 2016 penisola Arts Contemporary Music Festival (PACMF) e il rispettivo sito Web15. Qui, la nostra tecnologia è stata usata per sviluppare un sistema di musica interattiva di hardware-bioware ibrido che è stato in grado di generare gli accompagnamenti musicali per un musicista dal vivo. In riferimento14, abbiamo riportato sul test approfonditi del nostro ricettacolo e confrontato i risultati contro precedenti approcci9,10. A seguito di questi sviluppi, un altro gruppo di ricercatori successivamente esplorato creando ambienti di crescita per lo studio thermistive proprietà16 dell'organismo, ma queste non sono le stesse proprietà di memristive. Ci sono, tuttavia, solo stati due altri tentativi di sviluppare un approccio controllato ad attuare il p. polycephalum memristors13,17. In questi esperimenti, pozzi sono stati realizzati in un materiale simil-gel biocompatibile elastomero chiamato polidimetilsilossano (PDMS), e gli elettrodi sono stati creati utilizzando vari metalli o poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS). Anche se questi materiali sono abitualmente utilizzati in elettronica, microfluidica e ingegneria bionico, sono costosi e richiedono alcune competenze da utilizzare. Ad esempio, PEDOT:PSS ha bisogno di rivestimento per rotazione e anti-doping per migliorare la sua conducibilità. Di conseguenza, le tecniche sono fuori portata per le persone che non hanno accesso a risorse specialistiche. I recipienti presentati in questo articolo utilizzano metodi e materiali che sono facilmente accessibili e poco costoso. Inoltre, il design offre un ambiente ospitale per il plasmodio all'habitat, che è in contrasto con gli altri il p. polycephalum memristor prototipi dove è stato effettuato nessun tentativo di mantenere viva la cella per qualsiasi durata di tempo.
Fino ad ora, è stato difficile ottenere misure coerenti I-V utilizzando metodi precedenti per la coltura dell'organismo su piastre di Petri (Figura 5, sinistra). I nostri metodi sono migliorato significativamente questo scenario (Figura 6). I risultati del nostro recipiente test hanno dimostrato che il design ha ridotto il tempo di crescita, ha aumentato la durata della vita, standardizzata le risposte componente e creato un microambiente protetto per incapsulare l'organismo. Inoltre, il dispositivo fornisce mezzo fattibile per integrare l'organismo come un componente di uno schema elettrico.
Il metodo proposto consente di attenuare una serie di questioni legate alla sfruttando il p. polycephalum memristors all'interno di impianti elettrici. Esistono, tuttavia, limiti che richiedono un'ulteriore ricerca e sviluppo. In primo luogo, condensazione può raccogliere sulla superficie interna del tubo di collegamento se i recipienti sono sottoposti ad un rapido cambiamento di temperatura o se viene applicata una tensione elevata per lunghi periodi. Quest'ultimo è dovuto la resistenza dell'organismo alta causando energia elettrica per essere trasferito in calore. Se significativa, la condensa può creare un percorso di resistente basso tra i due elettrodi alle estremità del tubo di raccordo. Questa limitazione può essere gestita efficacemente assicurando che la memristors non siano sovraccaricati. In secondo luogo, la resistenza complessiva di memristors prodotta utilizzando il metodo proposto può variare da componente a componente. Tale fenomeno può essere un risultato dell'approccio non limitando il diametro esterno del tubo protoplasmatico. Di conseguenza, gli utenti potrebbero dover incorporare un processo di calibrazione nella loro applicazione della memristors.
Grazie a questa metodologia, possiamo ora cominciare a studiare i processi biologici che provocano le osservazioni memristive nel p. polycephalum. È probabile che tali processi hanno parametri dinamici che potremmo essere in grado di sfruttare per aumentare l'utilizzo dell'elemento. Abbiamo iniziato in esecuzione alcuni esperimenti preliminari in cui sono alterate concentrazioni di ioni extracellulari a rivedere se canali ionici voltaggio-dipendenti svolgono un ruolo nella memristance.
I recipienti presentati sono stati progettati esclusivamente per il p. polycephalum memristors di esecuzione. Questi dispositivi sono probabili, tuttavia, avere usi di là di quella di implementazione di un singolo componente. Ad esempio, in riferimenti12,18, il tubo protoplasmica è stato studiato come un filo biologico autoassemblanti e ripristino automatico. In entrambe queste indagini, i ricercatori hanno espresso che era necessario ulteriore lavoro per stabilire metodi di coltivazione il tubo protoplasmica secondo uno schema. I recipienti ha presentato in questa carta forniscono un metodo di delineare la produzione del tubo tra due, o potenzialmente più punti. La figura 7 Mostra due fotografie che illustrano che i recipienti possono essere utilizzati per crescere sani tubi alle lunghezze più di 100 mm. In riferimento18, è stata studiata la funzione di trasferimento del tubo protoplasmatica. Risultati da questa indagine hanno indicato che l'agar richiesto per coltivare i tubi può causare un problema se l'organismo è stato quello di essere integrato in un impianto elettrico. Ciò è dovuto la capacità del substrato. I recipienti presentati qui ancora richiedono agar in modo da mantenere l'umidità alta. Tuttavia, con piccole modifiche al design di presa, è possibile creare un tubo staccabile. Questo set up può permettere per il tubo essere disconnessi dalle camere una volta che la crescita è completa e ritagliato in un impianto elettrico. Inoltre, una volta che la salute del tubo inizia a deteriorarsi, potrebbe essere ricollegato al nuovi alloggiamenti per cibo e tregua, finché ha riparato e può essere utilizzato nuovamente. Figura 8 Mostra una foto di tubi lunghi che sono stato disconnesso dalle camere. La ricerca futura è necessaria per studiare le proprietà elettriche del tubo protoplasmica senza l'agar e quando coltivate alle lunghezze usando il metodo proposto.

I computer odierni sono costruiti utilizzando i tre elementi fondamentali circuito passivo due terminali: il condensatore, la resistenza e l'induttore. Sono in grado di dissipare o immagazzinare energia, generando non solo elementi passivi. Questi elementi sono stati stabiliti in 18th e 19° secolo e sono collegati attraverso le equazioni di Maxwell. Ciascuno di questi componenti di tre circuito in termini di loro relazione tra due variabili di quattro circuito definiamo vale a dire, corrente (I), tensione (V), carica (Q) e flusso-sollevatore (φ). La carica è integrale nel tempo della corrente e legge di Faraday definisce la tensione come integrale nel tempo del flusso. Così, un condensatore è definito da una relazione tra tensione e carica, un resistore è definito da una relazione tra tensione e corrente, e l'induttore è definito da un rapporto tra flusso e corrente. Per oltre un secolo, questi elementi sono stati una pietra miliare dell'elettronica. Tuttavia, esse rappresentano soltanto tre delle possibili coppie di quattro relazione tra le variabili di circuito, lasciando flusso-sollevatore e carica scollegato. Nel 1971, Leon Chua ha pubblicato una carta1 dove Egli postulò che c'era un quarto elemento manca che collegava le due variabili rimanenti, che chiamò il memristor. Il memristor può essere descritto come un resistore che ricorda la sua storia, quindi la contrazione 'resistore di memoria'. Questo funzioni di elemento, modificando la sua resistenza in funzione dell'entità della tensione applicata in precedenza e la sua durata. Inoltre, il memristor trattiene l'ultimo stato di resistenza una volta che la tensione non è più applicata. A differenza del condensatore, resistore e induttore, comportamento di memristor è non lineare, che è evidente nel suo profilo-V dove un ciclo di isteresi pizzicato è formato sotto una tensione CA. Questo ciclo prende la forma di una figura di Lissajous contenente due oscillazioni perpendicolari di Stati di alta e bassa resistenza. Prima teoria di memristance formalizzato di Chua, altri ricercatori avevano riferito sugli effetti di resistenza di memoria a determinate frequenze quando sperimentando materiali come i polimeri e ossidi metallici, insieme a sviluppare dispositivi elettrici presso il micrometro scala2. Tuttavia, in molti casi, questi effetti sono stati considerati indesiderabili. Ci sono voluti quasi quarant'anni per la formalizzazione di Chua essere collegato a un dispositivo fisico e per i ricercatori iniziare a sviluppare metodi di sfruttare gli effetti memristive. Un team presso i laboratori di HP è riuscito a fabbricare un dispositivo memristive 20083 che ha acceso di enorme interesse per l'elemento.
Informatici hanno un vivo interesse per il memristor dovuto esso è accreditato come il primo elemento di combinare le capacità di elaborazione e di memoria in una singola unità. Visualizza anche i comportamenti che sono analoghi a determinati processi neurologici come Spike-Timing-Dependent plasticità (STDP)4, per citarne solo uno. Tali comportamenti sono dando vita a prospettive di costruzione di tecnologie di elaborazione del cervello-come che rilasciano la distinzione tra memoria e unità centrale di elaborazione (o CPU)5. In contrasto con gli approcci popolari per sviluppare memristors (utilizzando TiO2, ad esempio), la nostra ambizione è di sviluppare un organico bio-memristor. Inoltre, siamo interessati a come questo componente può fornire i mezzi di esplorazione paradigmi oltre gli approcci convenzionali per dispositivi informatici ingegneria; ad esempio, applicazioni creative nel campo della Computer Music6.
Memristance è un effetto che i ricercatori hanno recentemente scoperto in tutta una gamma di sistemi biologici. Ad esempio, la proprietà memristive sono stati osservati in aloe vera piante7 e pelle umana8, per citare ma due. Queste scoperte indicano che è possibile implementare dispositivi di elaborazione e memoria su substrati biologici. Sfruttando sistemi organici all'interno di tecnologia potrebbe consentire noi per esplorare concetti eccitante come l'auto-assemblaggio, ripara di auto, a basso impatto ambientale e auto-alimentazione. Prima che possiamo indagare queste opportunità, tuttavia, parecchie sfide devono essere affrontate. Molti dei sistemi biologici che hanno proprietà memristive hanno notevoli vincoli che limitano la loro sopravvivenza come componente elettronico effettivo. Ad esempio, una foglia di aloe vera7 ha bisogno di luce, ha una durata limitata e sarebbe difficile da integrare in un circuito. Inoltre, parecchi altri in vivo memristive fenomeni, come il sudore umano condotti8, non sono opzioni attualmente fattibile per lo sviluppo di sistemi per l'uso di fuori del laboratorio e nei sistemi elettronici tutti i giorni. Tuttavia, di tutti i fenomeni di memristive, c'è un potenziale candidato: il p. polycephalum.
Il plasmodio di p. polycephalum è un sistema unicellulare amorfo che è stato scoperto per agire come un componente di memristive9,10. Questo organismo è un candidato ideale per la ricerca in elettronica hardware-wetware ibrido per una serie di motivi. In primo luogo, l'organismo è non patogeni, macroscopico e non richiede l'uso di attrezzature specialista, che rende accessibile ai non-biologi e ingegneri il plasmodio. In secondo luogo, la cella è amorfa, costituisce reti di filo-come vene e crescerà sulla maggior parte dei substrati (Figura 1). Queste proprietà consentono la morfologia della cellula essere facilmente delineati per conformi a uno schema elettrico convenzionale. C'è anche una ricerca che dimostra che il plasmodio possa vivere per oltre quattro anni11, e che le sue vene possono agire come autoriparante percorsi conduttivi12. Diversi studi di laboratorio hanno confermato memristive abilità9,10,13 dell'organismo e ora i tempi sono maturi per esplorare il suo potenziale.
L'idea di usare P. memristors polycephalum è relativamente nuovo. Di conseguenza, non ci sono nessun standard stabiliti per la misurazione e osservando le sue proprietà elettriche. Tale mancanza di uniformità nelle procedure sperimentali all'interno dello stesso gruppo di ricerca e tra gruppi può essere il motivo che ci sono incongruenze tra pubblicato risultati9,10. È probabile che tale variazione è più prominente nella movimentazione e le condizioni di crescita di campione. Così, abbiamo bisogno di stabilire metodi per la produzione e collaudo il p. polycephalum memristors dove i fattori che potrebbero causare errori sono meglio controllato e monitorato.  Inoltre, abbiamo bisogno di creare metodi di implementazione il p. polycephalum memristors che consentono stabile e facile integrazione nel sistema elettrico.
Il metodo presentato in questa carta fornisce una piattaforma per l'esplorazione delle applicazioni pratiche di p. polycephalum memristors fornendo mezzi di incorporare l'organismo come un componente in un disegno schematico elettrico. È probabile che queste tecniche si rivolge agli ingegneri che desiderano per esplorare usi reali dei sistemi hardware-wetware ibridi. Inoltre, è accessibile ai non esperti (ad esempio, gli appassionati di prototipazione elettronica open source) che può essere interessate a sperimentare con aspetti dell'informatica non convenzionale ma hanno trovato difficoltà a trovare i prototipi di adattarsi alle loro esigenze. Alcune applicazioni potenziali possono includere modelli probabilistici sfruttando la memristors chiodare il comportamento, lo sviluppo di approcci per eseguire l stateful di esecuzioneoperazioni Logic e modellazione processi neurologici per l'archiviazione di informazioni e elaborazione.

<table><tbody><tr><td>Filamento PLA conduttivo 2,85 mm</td><td>Funzionalizza</td><td>FE_1LB_2,85 mm</td><td>Filamento conduttivo per stampa 3D</td></tr><tr><td>Filamento HIPS 3 mm 1 kg (nero)</td><td>NuNus</td><td>104856</td><td>Filamento per stampa 3D</td></tr><tr><td>Filamento per pulizia, 3 mm, 0,1 kg, naturale</td><td>3D Prima</td><td>3DPCLEAN300</td><td>Filamento per pulizia</td></tr><tr><td>3D Lulzbot Taz 5</td><td>Lulzbot</td><td>TAZ 5</td><td>Stampante 3D</td></tr><tr><td>Agar in polvere</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>0504</td><td>Polvere di agar microbiologica non nutriente</td></tr><tr><td>4 mm ID x 6 mm OD Tubo flessibile in PVC trasparente Tubo flessibile 5 metri</td><td>Amazon</td><td>B008NC4JUO</td><td>Rotolo di tubi in PVC</td></tr><tr><td>Physarum polycephalum Plasmodium, Living, Plate</td><td>Carolina Biological Supply Company</td><td>156193</td><td>Plasmodium coltura.</td></tr><tr><td>Fiocchi d'avena</td><td>Carolina Biological Supply Company</td><td></td><td>Fiocchi di quercia per alimentare il Plasmoidum</td></tr><tr><td>Cura</td><td>Lulzbot</td><td>Cura LulzBot Edition</td><td></td></tr><tr><td>https://www.lulzbot.com/cura 230 Sorgente di tensione programmabile</td><td>Keithley Instruments</td><td></td><td>Strumento sorgente di tensione.</td></tr><tr><td>Elettrometro programmabile 617</td><td>Keithley Instruments Elettrometro</td><td></td><td>per misurare basse correnti.</td></tr></tbody></table>

un metodo per la coltivazione bio-memristors da muffa di melma

A Method for Growing Bio-memristors from Slime Mold

La nostra ricerca è rivolta a ottenere una migliore comprensione delle proprietà elettroniche di organismi al fine di progettare nuovi sistemi bioelettronici e architetture di calcolo basati sulla biologia. Questo specifico documento si concentra su sfruttando la muffa di melma unicellulare Physarum polycephalum sviluppo bio-memristors (o biologica memristors) e dispositivi di bio-informatica. Il memristor è un resistore che possiede memoria. È il 4 ° circuito passivo fondamentale elemento (le altre tre sono il resistore, il condensatore e l'induttore), che sta spianando la strada per la progettazione di nuovi tipi di sistemi informatici; ad esempio, i computer che potrebbe abbandonare la distinzione tra il deposito e un'unità centrale di elaborazione. Quando applicato con una tensione alternata, la corrente vs tensione caratteristica di un memristor è un ciclo di isteresi pizzicato. È stato indicato che il p. polycephalum produce cicli di isteresi pizzicato sotto tensione in corrente alternata e visualizza comportamento adattivo che è paragonabile con il funzionamento di un memristor. Questa carta presenta il metodo che abbiamo sviluppato per l'implementazione di bio-memristors con il p. polycephalum e introduce lo sviluppo di un recipiente alla cultura dell'organismo, che facilita la distribuzione come un componente del circuito elettronico. Il nostro metodo ha dimostrato di ridurre i tempi di crescita, aumentare la durata della vita del componente e standardizzare le osservazioni elettriche.

Per produrre risultati rappresentativi, abbiamo istituito 5 campioni usando il metodo esatto descritto sopra. Per un controllo, 5 campioni sono stati anche organizzati utilizzando il metodo descritto nei primi il p. polycephalum memristor indagini9,10. Qui, abbiamo posizionato due elettrodi distanziati ad una distanza di ~ 10 mm all'interno di piastre di Petri da 60 mm. Ogni elettrodo è costituito da un cerchio (~ 20 mm di diametro) di filo di rame stagnato (16 corrisponde a 0,2 mm) riempita di un 2% non-sostanza nutriente deionizzata agar (~ 2 mL). Tutti i campioni sono stati controllati tramite immagini time-lapse di rivedere il tempo di crescita. Qui, i campioni di 5 recipiente collegato i due elettrodi all'interno di 10 h di inoculazione. Il più veloce di questi si è sviluppato in meno di 2 h, e la più lunga era h 10, con il tempo medio di crescita medio attraverso tutti i 5 campioni di 7 h 24 min. Quattro dei campioni di controllo prodotto un collegamento tubo protoplasmatico e uno propagato fuori l'elettrodo di inoculazione ma asciugata prima ha fatto il collegamento desiderato. Il più veloce dei campioni di controllo effettuata la connessione all'interno di 19 h mentre il più lento ha preso 36 h, con un tempo medio di crescita attraverso campioni di controllo di 26 h 15 min. Questi dati mostrano una diminuzione significativa nel tempo di crescita per memristors coltivati con il metodo proposto.
Il profilo dei-V di un memristor è la sua caratteristica più distintiva. Come tale, abbiamo effettuato misure I-V sui campioni per produrre risultati rappresentativi per questa carta. Qui, misure di corrente istantanee sono state fatte in ogni punto di una sinusoide di tensione 160-passo. Ogni passaggio di tensione aveva un tempo di sosta statica di 2 s. misure elettriche sono stati realizzati utilizzando una sorgente di tensione programmabile 230 e un elettrometro programmabile 617. Questi dispositivi sono stati selezionati in quanto sono in grado di sourcing tensione e presa misure a risoluzioni elevate. Gli esperimenti sono stati condotti a temperatura ambiente in una stanza non illuminata.
Figura 6 Mostra curve tipiche V prodotte dalle prove il p. polycephalum memristors. Figura 6C e 6D Visualizza Piazzole con le misurazioni rappresentative da componenti implementati nei piatti Petri. Utilizzando questo metodo i risultati mostrano che, anche se le curve misurate sullo stesso campione sono morfologicamente simili, isteresi variano fortemente da campione a campione. Tale variazione include la posizione di punti di rischio, la grandezza dei lobi sia positivi che negativi e la simmetria tra misurazioni nei domini tensione positiva e negativa. Così, curve I-V misurate su memristors utilizzando il metodo di Petri non sono l'impronta di un memristor 'ideale', perché pizzico punti non sono a zero di tensione e corrente. Figura 6a e 6b Visualizza grafici con misurazioni rappresentative da memristors cresciuta nei recipienti. Le posizioni dei punti di pizzico e lobo dimensioni di questi cicli di isteresi sono relativamente costanti sia in curve curve discreti campione testate sotto tensione diverse gamme e passaggi di tempo di campione a campione. Di conseguenza, curve I-V presa erano più che ricorda dell'impronta di un memristor 'ideale', dove i punti di rischio erano sempre singolare e quasi costantemente a zero tensione e corrente. Tuttavia, anche se l'isteresi, la morfologia simile campione per campione, c'era variazione di resistenza complessiva tra i campioni. .
Dopo le misurazioni iniziali V sono state completate, le prove sono state effettuate su ogni campione una volta al giorno fino a quando non hanno non presentato nessun curve di memristive. Dei campioni di 4 controllo, 2 prosciugato entro 2 giorni di test iniziale, mentre i restanti 2 ha continuato a registrare curve pizzicate per altri 2 giorni. I campioni di recipiente mantenuto loro memristance per almeno 7 giorni, con 3 campioni superiore a quella. Nel corso del tempo, ciascuna delle provette protoplasmica dell'esempio recipiente è diventato più spessa e c'era una diminuzione della resistenza complessiva, con alcuni campioni di misura nell'A x 10-04 gamma per 10 V corre contro A x 10-05 nei loro test precedenti.
Si rinvia all'articolo di Braund14 per risultati sui test approfonditi del recipiente presentato.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig1.jpg"> 
Figura 1: Una fotografia di una cultura 2 giorno-vecchio di plasmodium di p. polycephalum. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig1large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig2.jpg"> 
Figura 2: Uno screenshot del file STL recipiente dopo averli caricati nel software per affettare. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig3.jpg"> 
Figura 3: uno screenshot del file STL elettrodo dopo averli caricati nel software per affettare. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig3large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig4.jpg"> 
Figura 4: Uno screenshot della configurazione delle impostazioni per la stampa del modello STL elettrodo.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig5.jpg"> 
Figura 5: Due fotografie che ritraggono il p. polycephalum memristors implementato in una capsula Petri (a sinistra) e utilizzando il metodo presentato in questa carta (a destra). <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig5large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig6.jpg"> 
Figura 6: Quattro grafici-V che sono state prodotte da due memristors cresciuta nei recipienti (a, b) e due implementato in capsule di Petri (c, d). <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig6large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig7.jpg"> 
Figura 7: Fotografie che mostrano il recipiente utilizzato per crescere tubi alle varie lunghezze.
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig8.jpg"> / > Figura 8: una fotografia che mostra protoplasmica tubi disconnesse dalle camere a.

Questo documento introduce un metodo migliore per la coltivazione bio-memristors fuori il plasmodio di Physarum polycephalum. Tale metodo ha dimostrato di ridurre i tempi di crescita, aumentare la durata della vita del componente, standardizzare le osservazioni elettriche e creare un ambiente protetto che può essere integrato nei circuiti convenzionali.

Un metodo per la coltivazione Bio-memristors da muffa di melma

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

L'obiettivo generale di questa procedura è standardizzare l'implementazione di memristor a base di Physarum polycephalum, al fine di facilitarne l'integrazione nella tecnologia. Utilizzando questi metodi, possiamo iniziare a investigare le applicazioni pratiche di componenti basati su Physarum polycephalum al di fuori del laboratorio e nel mondo reale. Il principale vantaggio di questa tecnica è che trasforma i componenti in una forma accessibile anche ai non esperti e facilmente integrabile in uno schema analitico.Abbiamo avuto per la prima volta l'idea di questo metodo quando abbiamo sviluppato un sistema di elaborazione musicale che sfruttava memristori basati su Physarum polycephalum per esibizioni in tempo reale. Sviluppando un sistema basato su questi componenti per un utilizzo al di fuori del laboratorio, è stato necessario affrontare questioni di praticità. Per iniziare, caricare innanzitutto il polistirene ad alto impatto nella stampante 3D.Quindi, preparare la stampante 3D per l'uso. Impostare la temperatura del piano di stampa a 85 gradi Celsius e dell'estrusore a 230 gradi Celsius. Una volta raggiunte le temperature desiderate, allentare il braccio dell'idler, inserire il filamento e spingere verso il basso finché il polistirene non fuoriesce dall'estremità calda.Quindi, serrare nuovamente il braccio tenditore del filamento e rimuovere il materiale estruso. Successivamente, tramite il controllo software, caricare il file modello STL per il supporto 3D. Se sono disponibili opzioni di qualità di stampa alta o bassa, impostare la qualità di stampa su alta, assicurandosi al contempo di aver selezionato il profilo del materiale corretto.Dopo aver raccolto le parti, utilizzare una spazzola sottile per rimuovere delicatamente dal connettore dell'elettrodo eventuali imperfezioni che potrebbero interferire con il montaggio del dispositivo. Ora, sulla stampante, sostituire il filamento HIPS con un filamento di pulizia ed eseguire un'ampia quantità di materiale attraverso la testina di stampa per garantire una pulizia accurata.Successivamente, caricare nella stampante un filamento di acido polilattico elettricamente conduttivo con bassa resistività volumetrica. Impostare quindi la temperatura del piano di stampa a 60 gradi Celsius e quella dell'estrusore a 230 gradi Celsius. Una volta raggiunte le temperature, estrudere alcuni centimetri di filamento per assicurarsi che tutte le particelle residue dalle sessioni precedenti siano state rimosse.Ora, carica il file STL per l'elettrodo e, nelle impostazioni di stampa, specifica le impostazioni richieste per l'altezza dello strato, lo spessore della mensola, lo spessore superiore e inferiore e la densità di riempimento. Una volta stampato, lascia raffreddare gli elettrodi a temperatura ambiente sul piatto di stampa prima di manipolarli. Questo garantisce che il pezzo non si deformi o si danneggi.Per assemblare le parti, inserire delicatamente prima l'elettrodo in ciascuna delle due camere. L'inserimento non dovrebbe richiedere una notevole forza. Successivamente, utilizzando un bisturi affilato, tagliare con cura un pezzo di tubo in PVC lungo 10 mm, eseguendo ciascun taglio dritto e pulito.Quindi, inserire delicatamente ciascuna estremità del tubo in PVC da 10 mm sul bordo dei due elettrodi. Una volta collegati, fissare le due camere alla base. In preparazione, preparare un agar non nutriente al due percento.Una volta che l'agar è raffreddato a circa 55 gradi Celsius, utilizzare una pipetta da 2 mL per trasferire l'agar nelle camere del contenitore. Tenere la punta della pipetta a circa 5 mm sopra la superficie e riempire lentamente i pozzetti fino alla base del foro del tubo di collegamento, avendo cura di non introdurre bolle d'aria. Immediatamente dopo aver riempito i pozzetti, posizionare un coperchio su ciascuna camera e mettere da parte il contenitore fino a quando l'agar si sarà solidificato e avrà raggiunto la temperatura ambiente.Quindi, posizionare un fiocco d'avena sull'agar in ogni camera. Successivamente, rimuovere un agglomerato di 2 mL di pseudopodi da una coltura di plasmodio privata di nutrimento da 12 ore. Per favorire una crescita rapida, cercare di prelevare il protoplasma dalla parte anteriore più attiva dell'organismo.Questi contenitori sono abbastanza resistenti e dovrebbero essere pronti per l'uso entro 12 ore. I contenitori sono pronti quando il plasmodio ha stabilito una connessione tra le due elettrodi. Questo può essere facilmente riconosciuto esaminando l'organismo attraverso il tubo trasparente in PVC.Cinque campioni sono stati preparati come descritto e monitorati mediante immagini sequenziali per valutare il loro tempo di crescita. Entro 10 ore dall'inoculo, tutti e cinque i campioni hanno collegato le due elettrodi. Uno di essi lo ha fatto in meno di due ore.Il profilo IV del nostro memristore è la sua caratteristica più distintiva. Sono state effettuate misurazioni istantanee della corrente in ogni punto di un'onda sinusoidale di tensione composta da 160 passi. Ogni passo di tensione aveva un tempo di permanenza statico di due secondi.Gli esperimenti sono stati condotti a temperatura ambiente in una stanza non illuminata. È stata osservata una forte relazione tra le curve di singolo campione misurate in diversi intervalli di tempo e di tensione, nonché tra le curve da campione a campione. I cicli di isteresi presentavano dimensioni dei lobi relativamente uniformi, così come posizioni del restringimento.Questo ricorda l'orma ideale del memristore, in cui i punti di strozzamento sono sempre singolari e quasi costantemente a tensione e corrente zero. Dopo aver completato le misurazioni iniziali di IV, sono stati effettuati test su ciascun campione una volta al giorno, fino a quando non hanno più presentato dati in modo tipico del memristor. Dei cinque campioni, tutti hanno funzionato per almeno sette giorni.Nel tempo, i tubi protoplasmatici sono diventati più spessi e si è osservata una diminuzione della resistenza complessiva nell'arco di un giorno circa, seguita da un aumento; alcuni campioni hanno mostrato valori di intensità di corrente nell'ordine di 10 alla meno 4 durante prove a 10 volt, nonostante nei test precedenti fossero nell'ordine di 10 alla meno 5. Dopo aver visto questo video, dovresti essere in grado di sperimentare con memristori biologici senza dover disporre di laboratori ben attrezzati o di strumentazione costosa. Questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo dell'informatica non convenzionale per esplorare l'uso di memristori biologici in applicazioni pratiche.Una volta acquisita padronanza, i contenitori possono essere allestiti in meno di un'ora e la crescita si completerà entro 12 ore. Durante il tentativo di questa procedura, è importante ricordare che la velocità di crescita dipende fortemente dallo stato della coltura di Physarum polycephalum. A seguito di questa procedura, possono essere effettuati ulteriori esperimenti per rispondere a domande aggiuntive, come: Qual è il meccanismo biologico alla base della memristanza di Physarum polycephalum?

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