粘菌からバイオ memristors を成長する方法
2017年11月2日
粘菌変形体のマラリア原虫からバイオ memristors を成長法の改良について述べる。このようなメソッドは、成長時間を短縮、コンポーネントの寿命を増やす、電気の観測を標準化、従来の回路に統合することができます保護された環境を作成すると証明しました。
この手順の全体的な目標は、Physarum polycephalumベースのメモリスタの実装を標準化し、テクノロジーへの統合を容易にすることです。これらの方法を使用して、Physarum polycephalumベースのコンポーネントの実用化を実験室の外や現実世界で調査し始めることができます。この手法の主な利点は、コンポーネントを非専門家がアクセスでき、解析回路図に統合可能な形式にレンダリングできることです。
この手法のアイデアを最初に思いついたのは、Physarum polycephalumベースのメモリスタを利用した音楽処理システムを開発し、リアルタイムパフォーマンスを実現したときでした。これらの部品をベースとしたシステムを研究室の外部で開発することで、実用性の課題にも対処する必要がありました。まず、耐衝撃性ポリスチレンを3Dプリンターにセットします。
次に、3Dプリンターを使用する準備をします。プリントベッドの温度を85°Cに、エクストルーダーを230°Cに設定します。目標温度になったら、アイドラーアームを緩め、フィラメントを挿入し、ポリスチレンがホットエンドから押し出されるまで押し下げます。
次に、フィラメントアイドラーアームを締め直し、押し出された材料を取り除きます。次に、ソフトウェア制御で、3DレセプタクルのSTLモデルファイルを読み込みます。また、印刷品質が高いか低いかを選択する場合は、印刷を高品質にすると同時に、正しい材料プロファイルが選択されていることを確認します。
部品を集めた後、細いワイヤーブラシを使用して、デバイスの組み立てを妨げる可能性のある欠陥を電極ソケットからそっと取り除きます。次に、プリンターでHIPSフィラメントをクリーニングフィラメントに交換します。また、プリントヘッドに十分な量の材料を通して、徹底的なクリーニングを確保します。
次に、体積抵抗率が低い導電性ポリ乳酸フィラメントをプリンターにロードします。次に、プリントベッドの温度を摂氏60度に設定し、押出機を摂氏230度に設定します。温度に達したら、フィラメントを数センチ押し出して、前のセッションからのすべての微粒子が確実に除去されるようにします。
次に、電極のSTLファイルをロードし、印刷設定で、レイヤーの高さ、棚の厚さ、底面と上面の厚さ、および充填密度の必要な設定を指定します。印刷したら、電極をプリントベッドで室温まで冷ましてから取り扱います。これにより、部品が反ったり変形したりすることがなくなります。
部品を組み立てるには、まず電極を2つのチャンバーのそれぞれにそっとスライドさせます。それはあまり力を入れずに入るべきです。次に、鋭利なメスを使って、10mmのPVCチューブを慎重にカットし、各カットをまっすぐできれいにします。
次に、10mmのPVCチューブの両端を2つの電極の縁にそっと緩めます。接続したら、2つのチャンバーをベースにクリップで留めます。準備として、2パーセントの非栄養寒天を作ります。
寒天が摂氏約55度に冷えたら、2mLピペットを使用して寒天をレセプタクルのチャンバーに移します。ピペットのペン先を表面から約5mm上に浮かべ、気泡が入らないように注意しながら、接続チューブ穴の底までウェルをゆっくりと満たします。ウェルを充填した直後に、各チャンバーに蓋をし、寒天が硬化して室温に達するまでレセプタクルを脇に置きます。
次に、各チャンバーの寒天にオーツ麦フレークを置きます。次に、12時間の飢餓状態のマラリア原虫培養物から偽足の2mLの塊を1つ取り出します。迅速な成長を促進するために、生物の最も活発な前部から原形質を採取するようにしてください。
これらのレセプタクルは非常に堅牢で、12時間以内に使用できる状態になります。レセプタクルは、マラリア原虫が2つの電極間に接続を確立すれば、準備が整います。これは、透明なPVCチューブを通して生物を調べることで簡単に区別できます。
5つのサンプルを説明どおりに調製し、タイムラプス画像でモニタリングして成長時間を確認しました。接種後10時間以内に、5つのサンプルすべてが2つの電極を接続しました。1つは2時間未満で完了しました。
私たちのメモリスタのIVプロファイルは、その最も特徴的な特徴です。瞬時電流測定は、160ステップの電圧符号波の各ポイントで行われました。各電圧ステップの静的滞留時間は 2 秒でした。
実験は、照明のない部屋で室温で行われました。異なる時間ステップと電圧範囲で測定された単一のサンプル曲線と、サンプル間の曲線には強い関係がありました。ヒステリシスループは、比較的一貫したローブサイズとピンチ位置を持っていました。
これは、ピンチポイントが常に特異で、電圧と電流がゼロでほぼ一貫している理想的なメモリスタのフットプリントを彷彿とさせます。最初のIV測定が完了した後、各サンプルに対して1日1回テストが行われましたが、メモリスタのような方法でデータを表示できなくなりました。5つのサンプルのうち、すべてが少なくとも7日間機能しました。
時間が経つにつれて、原形質チューブは太くなり、1日ほどで全体的な抵抗が減少し、増加する前に、一部のサンプルは、以前のテストでは10から負の5番目の範囲で動作していたにもかかわらず、10ボルトの実行中にアンペア数が10から負の4番目の範囲で測定されました。このビデオを見た後は、十分なリソースを持つ実験室や高価な機器にアクセスすることなく、生物学的メモリスタで実験できるようになるはずです。この手法は、型破りなコンピューティングの分野の研究者が、実際のアプリケーションでの生物学的メモリスタの使用を探求する道を開きました。
習得すると、レセプタクルは1時間以内にセットアップでき、成長は12時間以内に完了します。この手順を試みる際には、成長速度がPhysarum polycephalumの培養状態に大きく依存することを覚えておくことが重要です。この手順に続いて、次のような追加の質問に答えるために、さらに実験を行うことができます:Physarum polycephalumメモリスタンスの背後にある生物学的メカニズムは何ですか?
概要
本研究では、Physarum polycephalumの原形質体からバイオメモリスタを培養し、成長効率と寿命を向上させる手法を提示します。この技術は、これらの生物学的コンポーネントを実用的な技術へと統合することを目的としています。
研究の主要構成要素
科学分野
- バイオコンピューティング
- メモリスタ技術
- Physarum polycephalumの応用
背景
- Physarum polycephalumは、その独特な成長特性で知られる粘菌です。
- メモリスタは、受動的な2端子の非線形回路素子です。
- 生物学的コンポーネントを技術に統合することは、特有の課題を伴います。
- 本研究では、バイオメモリスタの実用的な応用について取り組みます。
研究目的
- Physarum polycephalumに基づくメモリスタの成長を標準化すること。
- 専門外の人々がこれらのコンポーネントを技術的に利用できるようにすること。
- バイオメモリスタの実用的な応用を探索すること。
使用方法
- メモリスタ組み立て用レセプタクル（容器）の3Dプリンティング。
- アガールの調製および Physarum polycephalum の接種。
- メモリスタの成長および電気的特性のモニタリング。
- 成長時間と接続形成を評価するためのタイムラプスイメージング。
主な結果
- すべてのサンプルにおいて、10時間以内に電極への接続が確認され、うち1つは2時間未満で接続した。
- メモリスタは、経時的に一貫したIV特性を示した。
- コンポーネントは少なくとも7日間機能し続けた。
- 成長速度は、 Physarum 培養の状態によって異なった。
結論
- この手法により、バイオメモリスタを用いた実験が簡便になります。
- これにより、非従来型コンピューティングの研究への道が開かれます。
- 今後の研究では、さらなる生物学的メカニズムを探索することが可能です。
よくある質問
産業界における重要性
Physarum polycephalumを用いたバイオメモリスタの標準化された培養により、非従来型コンピューティングアーキテクチャに向けた生物学的回路素子の探索が可能になります。本手法は、成長時間を短縮し、コンポーネントの寿命を延ばし、再現性のある電気的特性評価を可能にすることで、バイオメモリスタを次世代バイオエレクトロニクス研究開発の候補として位置づけます。生きたメモリステティブ素子の統合は、バイオコンピューティングポートフォリオにおける初期段階のデバイスプロトタイピングおよび機能検証に寄与すると考えられます。
バイオファーマR&Dにおける戦略的応用
初期探索およびターゲットバリデーション
- 生体システムにおけるメモリスタ動作の根底にある生物学的メカニズムの解析を可能にする。
- デバイスコンセプトのリスク低減に向けた、バイオエレクトロニクス特性の機能的検証をサポートする。
- 適応的な生物学的回路要素の、仮説駆動型の探索を促進する。
スクリーニングおよびアッセイ開発
- 生物学的コンポーネントの電気的測定に向けた、標準化され再現性の高いプラットフォームを提供します。
- 複数のサンプルにおける電流-電圧特性の定量的な評価を可能にします。
- 後続のデバイススクリーニングに向けた、アッセイのスケールアップとコンポーネントの再現性をサポートします。
トランスレーショナルおよび前臨床研究
- 生物学的システムと電子システム的な統合を橋渡しすることで、バイオコンピューティングにおけるトランスレーショナルリサーチと整合させています。
- 生物学的特性の発見から機能的なデバイスのプロトタイプ作成までの一貫性を提供します。
- バイオエレクトロニクスのコンセプトを実用的なアプリケーションへと、リスクを調整しながら進展させることを支援します。
パイプラインおよびワークフローの統合
本手法は、初期段階の探索とデバイスのプロトタイピングのインターフェースに位置し、バイオメムリスタ素子の反復的な仮説検証および機能評価を可能にします。
- 基礎生物学研究： 生体内におけるメモリスタンスのメカニズム研究および経路の解明を支援します。
- スクリーニング： 比較分析のための、再現性のある定量的なIV測定を提供します。
- 分析： ピンチドヒステリシスループを含む標準化された電気的読み取りを提供し、堅牢なサンプル評価を可能にします。
- トランスレーショナルリサーチ： 生体コンポーネントを前臨床デバイスのワークフローへ統合することを容易にします。
- 企業での再利用： 継続的なバイオエレクトロニクスR&Dおよびプロジェクト間標準化のための、再利用可能なプラットフォームを確立します。
運用およびエンタープライズへの影響
- 科学的価値：バイオメムリスタ機能の予測信頼性を向上させ、メカニズム上の曖昧さを軽減する。
- 運用的価値：バイオ電子部品作製の再現性、標準化、および拡張性を高める。
- 戦略的価値：バイオコンピューティングデバイスのコンセプトに関する意思決定（ゴー/ノーゴー判断）に寄与し、リソース配分を最適化する。
- ポートフォリオへの影響：バイオ電子イノベーションプロジェクトにおいて、リスク調整後の優先順位付けを可能にする。
実施上の検討事項
- 生物学的培養および電気測定技術の専門知識が必要です。
- IV特性評価のための3Dプリンティングおよび基本的な分析機器へのアクセスが必要です。
- 成長および測定プロトコルのチーム間での標準化が求められます。
- 異なる生物モデルやデバイス形式に応じて調整が必要になる場合があります。
- 成長速度およびコンポーネントの性能は、Physarumの培養状態と環境条件に依存します。
