Name: 粘菌からバイオ memristors を成長する方法 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-11-02T12:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 46 s
Description: 学ぼう、Physarum polycephalumを用いたバイオメモリスタの標準的な培養法。3Dプリント容器と寒天培地で電極間接続を10時間以内に実現し、少なくとも7日間の機能維持が可能です。

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この研究は、プリマス大学人文芸能学校で賄われていた。著者は、その導電性 PLA のサンプルを提供するため Functionalize を認識したいと思います。

1 です 3 d 印刷容器の作製 印刷層温度を 85 ° C に設定するプリンター インターフェイスを使用して <ol><li>、蓋とベース <ol><li>ロード 3 d プリンターと耐衝撃性ポリスチレン (HIPS)。230 ° C に押出機温度に達すると、アイドラー アームを緩め、フィラメントを挿入し、高温端から押し出しが開始されるまで押し下げます。その後、フィラメント アイドラー アームをしっかりし、押出された材料を削除します</li>。
		<li>ソフトウェアは、通常 [ファイル] タブに移動し、取り込み/開くオプション ( 図 2) を選択することによって達成することができますスライス 3 D プリント 3 D レセプタクル STL モデル ファイルをインポートします</li>。
		<li>品質印刷設定の高低提供していますソフトウェアをスライスも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ながら高品質を選択します 。
		注: ことを確認 1 つの実行のいくつかの容器を印刷は、ソフトウェアは一度に 1 つのオブジェクトを印刷に設定されます。金具を一緒にするときにトレランス問題が発生可能性が高いが印刷の品質が低下する可能性がある場合は、この手順はスキップされます</li>。
		<li>印刷が完了したら、印刷ベッド温度が 50 ° C 部分を削除するまでを待機します</li>。
		<li>電極チャンバーをフィッティングするときに障害を引き起こす可能性があります任意の欠陥の電極ソケットをオフに細いワイヤー ブラシを使用して軽く</li>。
	</ol></li> <li>電極 <ol><li>クリーニング フィラメントの腰フィラメントを交換し、プリント ヘッドを介して材料の多くを実行します</li>。
		<li>体積抵抗率 0.75 Ω cm 以下には導電性ポリ乳酸 (PLA) 繊維プリンターします</li>。
		<li>60 ° C と 230 ° C を押出機に印刷層温度を設定 (手順 1.1.1 ガイダンスを参照してください).</li>
		温度に達すると、<li>は、プリント ヘッドをフィラメントの数センチを押し出します。このプロセスは以前のセッションからのすべての粒子が削除されていることを確認を役立ちます</li>。
		<li>電極 STL ファイル ( 図 3) を読み込むスライス ソフトウェア、3 D プリントを使用しています</li>。
		<li>印刷の設定では、次の指定: レイヤーの高さ = 0.16 mm、厚み 1.7 mm、下部/上部を = = 0.74 mm、塗りつぶし密度 = 100% ( 図 4).</li>
		<li>かどうかは、一度に 1 つずつを印刷するプリンターを設定 1 つの実行に複数の電極を印刷します</li>。
		<li>一度、印刷電極印刷ベッドの上までまま彼らを室温に冷却しました。これにより部分がゆがんだし、ゆがんでなってない</li>。
	</ol></li> <li>レセプタクル アセンブリ <ol><li>2 つの部屋それぞれに電極をスロットします。1.1.5 の手順が正しく完了したら、電極が多くの力なしの部屋に行く必要があります</li>。
		<li>ポリ塩化ビニル (PVC) 管 (内径 4 mm と 6 mm 外径) は、それぞれの端がまっすぐ、きれいにカットできるように世話の 10 mm を切る鋭いメスを使用しています</li>。
		<li>2 つの電極の縁に 10 mm 塩ビ管の両端を軽く動かして緩め</li>。
		<li>一度接続すると、2 つの部屋をベースにクリップします</li>。
	</ol></li></ol> 2。容器の準備と フロントダイナミクス 接種 <ol><li>2% 寒天培地準備 <ol><li>250 mL ガラス瓶の中に非栄養微生物寒天 2 g を入れて</li>。
		<li>100 mL の脱イオン水を加え、よく混ぜる</li>。
		<li>オートクレーブ 121 ° C、15-20 分の沸騰水のお風呂で 12 〜 15 分のためのびん</li>
	</ol></li> <li>寒天基板をソケットに設定 &#39; s 室 <ol><li>湯せんまたは電子レンジを使用して寒天を溶かすです</li>。
		<li>溶融寒天 2 mL ピペットを入力します</li>。
		<li>容器の各 &#39; ピペット内部のベースの上約 5 mm のペン先をホバリングしゆっくりと接続の下部まで井戸の室チューブ穴</li>。
		<li>井戸を充填後、各部屋のふたを配置し、寒天が設定室温に達するまで容器を脇にすぐにします</li>。
	</ol></li> <li>フロントダイナミクス 接種 <ol><li>2 つの部屋それぞれにオート麦フレークを配置します</li>。
		<li>、飢えたから仮の 1 つの 2 mL blob を削除する (約 12 時間) マラリア原虫の文化、2 つの部屋の 1 つに配置します。スピーディな成長を促進するため、有機体の前方から最も活発な原形質をとろうと</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>

著者が明らかに何もありません。

この論文では、myxomyceteフロントダイナミクスから memristors を成長のための方法を発表しました。生物は、バイオ memristors を実装に関連付けられている制約のいくつかを克服するために設計された 3 D 印刷容器の中栽培されています。このような制限は、セットアップ時間、サンプル成長時間サンプル - 成長条件と電気の観測のための標準化の欠如をなど。
私たちのコンセントは、最初半島芸術現代音楽祭 2016 (PACMF)、それぞれのウェブサイト15印刷された広報資料で 2015 年に明らかになった。ここでは、当社の技術を使用して開発したライブ音楽家に音楽の伴奏を生成可能なハイブリッド ハードウェア バイオウェア社インタラクティブな音楽システム。参照14では、私たちのレセプタクルの広範なテストの報告し、以前のアプローチ9,10に対して結果を比較しました。こうした研究者の別のグループはその後研究生物の thermistive プロパティ16に作成の成長環境を探検が、これらはメムリスティブ プロパティと同じではありません。フロントダイナミクスmemristors13,17を実装するための制御方法の開発を他の 2 つの試みがあるだけされてただし。これらの実験で井戸がポリジメチルシロキサン (PDMS) と呼ばれるゲル状の生体適合性エラストマー材料からなされ、電極は、様々 な金属や poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) を使用して作成されました。これらの材料は、エレクトロニクス、マイクロ、バイオニック技術で使用されることが日常的に、彼らは、高価とを使用するいくつかの専門知識を必要とします。たとえば、PEDOT:PSS、導電性を改善するためにスピン コーティングとドーピングが必要。したがって、技術、専門家のリソースへのアクセスを持っていない人々 のため届かない。この記事で紹介した容器は、方法および容易にアクセス、安価な材料を使用します。さらに、デザインは、時間の任意の期間のセルを維持する試みは作られてない他のフロントダイナミクスmemristor プロトタイプと対照をなしてある生息地にマラリア原虫の快適な環境を提供します。
今までは、ペトリ皿 (図 5、左) の有機物を培養するため上記の方法を使用して一貫性のある V の測定値を得ることが困難だった。私たちのメソッドはこのシナリオを大幅に向上 (図 6)。設計は成長時間を減少、寿命を増加、構成要素の反応を標準化、有機物をカプセル化する保護された微小環境を作成私たちのコンセントのテストの結果を示しています。さらに、デバイスは、電気方式のコンポーネントとして有機物を統合する可能な手段を提供します。
提案手法では、電気システム内フロントダイナミクスmemristors を利用することに関連する問題の数が軽減されます。しかし、さらに研究・開発を必要とする制限があります。まず、結露は、コンセントが迅速な温度変化を受ける場合、または高電圧長期間にわたって接続チューブの内面に収集できます。後者は生物の高抵抗が発生する電気エネルギーの熱に転送するためです。、重要な場合、結露は、接続チューブの両端に 2 つの電極間の低耐性経路を作成できます。この制限は、memristors がオーバー ロードされていないことを確保することによって効果的に管理できます。第二に、コンポーネント - から memristors 提案手法を使用して生産の全体的な抵抗があります。このような現象は、原形質流動の管の外径を制限しないアプローチの結果可能性があります。その結果、ユーザーは、memristors の応用に校正プロセスを組み込む必要があります。
この方法のおかげで我々 は今フロントダイナミクスメムリスティブ観測の原因となっている生物学的プロセスの研究を開始できます。このようなプロセスが利用できるかもしれない動的パラメーターをそれは要素の使用を強化します。我々 は、電位依存性イオン チャネルが memristance の役割を果たす場合を確認する細胞外のイオン濃度を変更する、いくつかの予備的な実験を実行して始めています。
提示された容器がフロントダイナミクスmemristors を実装するためにのみ設計されています。これらのデバイスが、しかし、以外にも 1 つのコンポーネントを実装するための使用を持っています。たとえば、参照12,18, 原形質流動管は自己組織化と自己修復の生物学的線として検討しました。両方これらの調査で研究者を示したスキームに従って原形質のチューブを成長の方法を確立するさらなる作業が必要であります。この論文で提唱のレセプタクルは、2 つ、または可能性のある複数の点の間の管の生産の輪郭を描く方法を提供します。図 7は、健康的な管の長さを成長するコンセントが使えるを示す 2 枚の写真を示しています 100 mm 以上。リファレンス18、原形質流動のチューブの伝達関数を調べた。この調査から有機体が電気システムに統合する場合チューブを成長に必要な寒天が問題を引き起こす可能性があることを示唆しました。これは基板の容量です。ここに示す容器はまだ高い湿度を保つために寒天を必要とします。ただし、レセプタクルの設計への小さな変更、取り外し可能なチューブを作成することが可能です。このセットアップは、成長が完了し電気システムにクリップされたチャンバーから切断する管用可能です。さらに、チューブの健康悪化し始めると、一度それに再接続する食品や休息のための新しい部屋自体が、修理して再使用できるまで。図 8は、チャンバーから切断されている長い管の写真を示しています。今後の研究は、原形質流動管の電気的特性提示法を用いた長さで成長して、寒天なしを調査するため必要です。

今日のコンピューターの 3 つの 2 端子基礎受動回路素子を使用して構築: コンデンサー、抵抗、およびインダクタ。受動素子が消かそれを生成しない、エネルギーを蓄積することができるのみです。これらの要素は、18番目と19 世紀に設立された、マクスウェル方程式を介してリンクされます。我々 は 2 つ 4 つの回路変数の間の関係の面でこれらの 3 つの回路のコンポーネントのそれぞれを定義すなわち、(I) 電流、電圧 (V)、電荷量 (Q)、磁束 (φ)。料金は電流の時間積分とファラデーの法則は、フラックスの時間積分として電圧を定義します。したがって、コンデンサーの電圧と電荷の関係によって定義されます、抵抗器は、電圧と電流の関係によって定義およびインダクタはフラックスとの関係で定義され現在。世紀以上も、これらの要素は、エレクトロニクスの基礎だった。ただし、彼らはのみ 3 つのフラックス ・ リンクとリンク解除料金を残して回路変数間可能性のある 4 つの関係のペアを表します。1971 年に Leon Chua は、彼は彼は、memristor と呼ばれる残りの 2 つの変数をリンクされている不足している 4 番目の要素があったことを仮定した紙1を公開しました。Memristor をすることができます収縮 'メモリ抵抗' その歴史を覚えている抵抗として記載されています。この要素は以前に適用された電圧とその期間の大きさによると、その抵抗を変えることによって機能します。また、電圧が適用されなくなった後、memristor はその最後の抵抗の状態を保持します。異なり、コンデンサー、抵抗器、インダクタ、memristor の行動は非線形、AC 電圧の下でピンチのヒステリシス ループを形成する、その - V プロファイルで明らかです。このループは、高と低抵抗状態の 2 つの垂直振動を含むリサージュ図の形式をとります。チュアの形式化された memristance 理論の前にポリマーやマイクロメータで電気機器の開発と共に、金属酸化物などの材料を試してみるときは、メモリ抵抗効果特定の周波数でので他の研究者の報告していたスケール2。ただし、多くの場合、これらの効果は望ましくない考慮されました。メムリスティブ効果を悪用する手法を開発する研究者、物理デバイスに接続するチュアの形式化のためほぼ 40 年かかった。HP 研究所のチームは、要素の大きな関心を点火 2008年3メムリスティブ デバイスを製造に成功しました。
コンピューター科学者は、memristor 単一ユニットの処理とメモリの能力を結合する最初の要素としてクレジットされてそれのために強い関心を持ってください。また、スパイク タイミング依存可塑性 (STDP) など4名が 1 つの特定の神経学的なプロセスに類似している動作が表示されます。このような行動は、5メモリ、中央処理装置 (CPU) の区別を放棄する脳のようなコンピューティング技術を構築の視点に上昇を与えています。(たとえば TiO2を使用して) memristors を開発する一般的なアプローチとは対照的私たちの野心、有機バイオ-memristor を開発します。さらに、このコンポーネントが工学コンピューティング デバイスへの従来のアプローチを超えてパラダイムを探るための手段を提供する方法に興味があります。例えば、コンピューター音楽6の分野で創造的なアプリケーション。
Memristance は、研究者は生物学的システムの範囲で最近発見した効果です。たとえば、メムリスティブ プロパティは、アロエベラ植物7と人間の皮8、引用するが、2 つで観察されています。これらの発見は、生物学的基板上への処理およびメモリ デバイスを実装することが可能があることを示します。テクノロジ内で有機体システムを活用ができるよう自己刺激的な概念を探求する私たち、自己修復、低環境負荷と電源投入自己。しかしこれらの機会を用いて、いくつかの課題に対処する必要があります。メムリスティブ プロパティを持つ生物学的システムの多くは、実際の電子部品として彼らの生存率を制限する大きな制約があります。たとえば、アロエベラ葉7は、光を必要し、限られた寿命を持つ回路に統合することは困難になります。さらに、いくつかその他体内メムリスティブ現象、人間の汗管8などは日常の電子システム、実験室の外の使用のためのシステムを開発するために現在実行可能なオプション。しかし、すべてのメムリスティブ現象の 1 つの潜在的な候補がある:フロントダイナミクス。
フロントダイナミクスのマラリア原虫はメムリスティブ コンポーネント9,10として発見されている非晶質の単細胞系です。この生物は、さまざまな理由でハイブリッド ハードウェア人間の頭脳のエレクトロニクスの研究のための理想的な候補です。まず、有機物は非病原性、マクロ、レンダリング、マラリア原虫をエンジニアや非生物学者にアクセス可能な専門装置の使用は必要ありません。第二に、セルは非晶質では、ワイヤーのような静脈のネットワークを形成、ほとんど基板 (図 1) に成長します。これらのプロパティは、セルの形態は、従来の電気方式に合わせて簡単に線引きすること。また、マラリア原虫が 4 年11、生きることができるし、の静脈が自己補修型導電性経路12として機能できることを示す研究があります。いくつかの研究は、生物のメムリスティブ能力9,10,13を確認しているし、今がその可能性を探るに熟した。
Pを使用してのアイデア。体memristors は比較的新しいです。その結果、測定及びその電気特性に対する確立された標準がないです。同じ研究グループ内およびグループ間の実験プロシージャの均一性のない理由の中に矛盾がある掲載結果9,10があります。このような変化はサンプルの成長条件と処理で最も顕著なそうです。したがって、我々 は製造方法を確立する必要があります、制御エラーを引き起こす可能性のある要因がより良いフロントダイナミクスmemristors をテストし、監視します。 さらに、我々 は電気システムに安定性と容易な統合を可能にするフロントダイナミクスmemristors を実装するためのメソッドを作成する必要があります。
本稿で紹介した方法は、電気回路図にコンポーネントとして有機物を組み込むための手段を提供することによってフロントダイナミクスmemristors の実用的なアプリケーションの探査のためのプラットフォームを提供します。これらの技術が実際使用するハイブリッド ハードウェア人間の頭脳系を探索する探しているエンジニアにアピールする可能性が高いです。さらに、それは非専門家 (例えば、オープン ソース電子プロトタイピング愛好家) にアクセスできる人は、型破りなコンピューティングの側面での実験に興味があるかもしれないに適応するプロトタイプを見つけるは難しいそれを発見した、必要があります。スパイク動作、ステートフルな l を実行するアプローチを開発 memristors を活用する確率モデルを実装するいくつかの潜在的なアプリケーションが含まれますogic 操作と情報ストレージの神経学的なプロセスのモデリングと処理します。

<table><tbody><tr><td>導電性PLAフィラメント2.85mm</td><td>機能化</td><td>FE_1LB_2.85MM</td><td>導電性3Dプリンティングフィラメント</td></tr><tr><td>HIPSフィラメント3mm 1KG(黒)</td><td>NuNus</td><td>104856</td><td>3Dプリンティングフィラメント</td></tr>クリーニング<tr><td>フィラメント、3mm、0.1 kg、ナチュラル</td><td>3D Prima</td><td>3DPCLEAN300</td><td>3Dクリーニングフィラメント</td></tr><tr><td>Lulzbot Taz 5 Lulzbot</td><td></td><td>TAZ 5</td><td>3Dプリンター</td></tr><tr><td>寒天粉末</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>0504</td><td>非栄養性微生物学的寒天粉末</td></tr><tr><td>4mm ID x 6mm OD 透明 PVC チューブ パイプ ホース 5 メートル</td><td>アマゾン</td><td>B008NC4JUOビニール チューブ</td><td>のロール</td></tr><tr><td>Physarum polycephalum Plasmodium, Living, Plate Carolina</td><td>Biological Supply Company</td><td>156193</td><td>Plasmodium culture.</td></tr><tr><td>オーツ麦フレーク</td><td>カロライナバイオロジカルサプライカンパニー</td><td></td> Plasmoidum <td></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 Programmable Voltage Source</td><td>Keithley Instruments</td><td></td><td>Voltage Source Instrumentを供給する</td></tr>ためのオークフレーク。<tr><td>617プログラマブル電位計</td><td>ケースレー機器</td><td></td><td>低電流を測定するための電位計です。</td></tr></tbody></table>

粘菌からバイオ memristors を成長する方法

A Method for Growing Bio-memristors from Slime Mold

本研究は、新規バイオエレクトロニクス システムと生物学に基づくコンピューティングのアーキテクチャを設計するために有機体の電子特性のよりよい理解を得ることを目指しています。この特定の用紙は単細胞粘粘菌バイオ memristors (または生物 memristors) を開発するを活用に焦点を当て、バイオ コンピューティング デバイス。Memristor はメモリを所有している抵抗です。それは第 4 回基礎受動回路要素 (他の 3 つは、抵抗器、コンデンサー、およびインダクタ)、新しい種類のコンピューティング システムの設計のための道筋を例えばストレージと中央処理装置の区別を放棄する可能性がありますコンピューター。AC 電圧で適用されると、電流電圧特性、memristor の対はピンチのヒステリシス ループです。それは、フロントダイナミクスの AC 電圧の下でピンチのヒステリシス ループが生成されますされ、適応行動、memristor の機能に匹敵する示されています。本稿では、フロントダイナミクスとバイオ memristors を実装する我々 が開発した手法を提案する, 電子回路コンポーネントとしての展開を容易に有機体の文化に容器の開発を紹介します。本手法は、成長時間を短縮、コンポーネントの寿命を増加および電気観測を標準化する証明されています。

代表的な結果を生成するには、我々 は上記の正確な方法を使用して 5 つのサンプルを設定します。コントロール、初期フロントダイナミクスmemristor 調査9,10で説明した方法を使用しても 5 つのサンプル整理されました。ここでは、我々 は 60 mm ペトリ皿内 ~ 10 mm の距離で 2 つの電極を配置しました。各電極は、錫メッキ銅線 (0.2 mm で 16 略) 2% 非栄養素脱寒天 (~ 2 mL) でいっぱいの円 (直径 ~ 20 mm) から成っていた。すべてのサンプルは、成長時間を検討するタイムラプス画像経由で監視されました。ここでは、5 レセプタクル サンプルには、接種の 10 h の内で 2 つの電極が接続されています。これらの最速 2 時間未満で育った、最長 7 時間 24 分のすべての 5 つのサンプルの間で平均平均成長時間、10 h。コントロール サンプルの 4 生産リンク接種電極が伝播されますが、必要な接続が行われる前に乾いて原形質流動管と 1 つ。かかった遅いコントロール サンプル 26 時間 15 分の間平均成長時間の 36 h の 19 h 内の接続をコントロール サンプルの最速にしました。これらのデータは、memristors 提示法を用いた成長の成長時間の大幅な減少を示しています。
メモリスタの - V プロファイルは、その最も定義する機能です。など、このホワイト ペーパーの代表的な結果を生成するサンプルに - V の測定を行った。ここでは、各時点で 160 ステップ電圧の正弦波の瞬時電流測定を行いました。各電圧ステップ 2 ・電気計測の静的な滞留時間が作った 230 プログラマブル電圧ソースと 617 プログラム可能電位計を使用しています。これらのデバイスは、電圧と高解像度で計測を調達することができるように選ばれました。点灯していない部屋の室温で実験を行った。
フロントダイナミクスmemristors にテストから作成される典型的な V 曲線を図 6に示します。図 6 cと6 dは、ペトリ皿に実装されたコンポーネントから代表的な測定値とプロットを表示します。このメソッドを使用して、結果を表示、同じサンプルでの測定のカーブが類似した形態、ヒステリシスによって異なります大きくサンプルのサンプル。このような変化には、ピンチ ポイントの正と負の両方の葉の大きさと単位の正と負の電圧ドメイン間の対称性の場所が含まれています。したがって、- V 曲線 memristors シャーレ法を用いた測定はピンチ ポイントがゼロ電圧と電流ではないために、'理想的な memristor のフット プリントではありません。図 6aおよび6b memristors 容器で栽培から代表的な測定値とグラフを表示します。ピンチ ポイント場所とこれらのヒステリシス ループの葉サイズは、様々 な電圧範囲と、時間ステップの下でテスト離散サンプル曲線と曲線のサンプル-サンプルの両方比較的一致しています。したがって、レセプタクル - V 曲線がより '理想的な memristor のフット プリント、ピンチ ポイント常に特異だったのと一貫してほぼゼロ電圧を彷彿とさせる、現在。しかし、ヒステリシス形態が類似したサンプル、サンプル間の全体的な抵抗性の差異があった。.
各サンプルのテストが行われた初期 V 測定が完了した後メムリスティブ曲線がつかめないまで一日一回。4 コントロールのサンプルの残り 2 ピンチの曲線をさらに 2 日間の記録を続けながら 2 を初期のテストの 2 日間内で乾燥させます。容器サンプル 3 サンプルを上回ると、少なくとも 7 日間の memristance を維持しました。時間をかけて、レセプタクル サンプルの原形質流動管のそれぞれはだんだんと全体的な抵抗の減少があった、x 10-04 A で測定するいくつかのサンプルを A に対してを実行の前のテストで 10-05 x 10 V の範囲。
読者記事 Braund14提示レセプタクルの広範なテストの結果によって参照されます。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig1.jpg"> 
図 1:フロントダイナミクスのマラリア原虫の 2 日古い文化の写真。<a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig2.jpg"> 
図 2:レセプタクル STL ファイルそれがスライスのソフトウェアに読み込まれた後のスクリーン ショットです。<a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig3.jpg"> 
図 3: スライスのソフトウェアにロードされた後の電極の STL ファイルのスクリーン ショットします。<a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig4.jpg"> 
図 4: 電極 STL モデルを印刷するための設定の構成のスクリーン ショット。
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig5.jpg"> 
図 5:フロントダイナミクスmemristors ペトリ皿 (左) で実装され、について述べる (右) メソッドを使ってを写した 2 枚。<a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig5large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig6.jpg"> 
図 6:(A、b) の容器の成長 2 つの memristors とペトリ皿 (c、d) で実装されている 2 つから生成された 4 つの-V グラフ。<a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig6large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig7.jpg"> 
図 7:様々 な距離でチューブを成長に使用されているコンセントを示す写真。
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig8.jpg"> />図 8: チャンバーから切断されている原形質のチューブを示す写真。

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。

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

本手順の全体的な目的は、Physarum polycephalumを用いたメモリスタの実装を標準化し、技術的な統合を促進することです。これらの手法を用いることで、研究室の外や実世界におけるPhysarum polycephalumベースのコンポーネントの実用的な応用について調査し始めることができます。本手法の主な利点は、非専門家にとっても扱いやすく、かつ解析回路図への統合が可能な形態にコンポーネントを変換できる点にあります。この手法の着想は、リアルタイムパフォーマンスにPhysarum polycephalumベースのメモリスタを活用した音楽処理システムを開発した際に得られました。これらのコンポーネントに基づいたシステムを研究室外で利用できるようにするためには、実用性の課題を解決する必要がありました。まず、高衝撃ポリスチレンを3Dプリンターにロードします。次に、3Dプリンターを使用できるように準備します。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。目標温度に達したら、アイドラーアームを緩めてフィラメントを挿入し、ホットエンドからポリスチレンが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。続いて、ソフトウェアコントロールで、3Dレセプタクル用のSTLモデルファイルを読み込みます。プリント品質に「高」または「低」の選択肢がある場合は、「高」を選択し、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てください。部品を回収した後、細いワイヤーブラシを使用して、デバイスの組み立てに影響を与える可能性のある不純物を電極ソケットから慎重に除去します。次に、プリンターのHIPSフィラメントをクリーニング用フィラメントに交換します。そして、十分な量の材料をプリントヘッドに流し、徹底的に洗浄してください。次に、体積抵抗率の低い導電性ポリ乳酸フィラメントをプリンターに装填します。続いて、プリントベッドの温度を60 °Cに、エクストルーダーの温度を230 °Cに設定します。設定温度に達したら、フィラメントを数センチメートル押し出し、前回のセッションからの粒子がすべて除去されていることを確認します。次に、電極のSTLファイルをロードし、プリント設定で、積層ピッチ、シェル厚、底部および頂部の厚さ、および充填密度に必要な設定を指定します。プリントが完了したら、電極をプリントベッド上で室温まで冷却してから取り出してください。これにより、パーツの反りや変形を防ぐことができます。部品を組み立てるには、まず電極を2つのチャンバーそれぞれにゆっくりと差し込みます。強い力を加えずに挿入できるはずです。次に、鋭利なメスを使用して、PVCチューブを10mmの長さに慎重に切断します。この際、切り口が直線的で切り口がきれいになるようにしてください。次に、10mmのPVCチューブの両端を2つの電極の縁にそっと被せます。接続後、2つのチャンバーをベースに固定してください。準備として、2%の非栄養アガロースを作成します。アガーが約55°Cまで冷却されたら、2mLピペットを使用して、アガーを受容器のチャンバーに転送します。ピペットのチップを表面から約5mm上に保ち、気泡が混入しないように注意しながら、接続管の穴の底までゆっくりとウェルを満たします。ウェルを満たした直後に、各チャンバーに蓋をし、アガーが凝固して室温になるまで受容器を置いておきます。次に、各チャンバーのアガー上にオートミールフレークを1枚ずつ配置します。続いて、12時間飢餓状態に置いた変形菌の培養液から、偽足を形成している部分を2mL分取り出します。成長を早めるため、個体の最も活動的な前端部から原形質を採取するようにしてください。これらの受容体は非常に堅牢であり、12時間以内に使用可能になります。変形菌（plasmodium）が2つの電極間に接続を形成すると、受容体の準備が完了したことになります。これは、透明なPVCチューブを通して生物を観察することで容易に判別できます。記載の手順に従って5つのサンプルを調製し、タイムラプス画像を用いて成長時間をモニタリングした。接種から10時間以内に、5つのサンプルすべてで2つの電極間が接続された。そのうち1つのサンプルでは、2時間未満で接続が確認された。本メモリスタの最も決定的な特徴は、そのIV特性にあります。160ステップの電圧正弦波の各点において、瞬時電流の測定を行いました。各電圧ステップの静的な保持時間は2秒間に設定しました。実験は、消灯した室内で室温にて行われました。異なる時間ステップおよび電圧範囲で測定された単一サンプルの曲線間、およびサンプル間の曲線の間に強い相関関係が認められました。ヒステリシスループのローブサイズおよびピンチ位置は、比較的一貫していました。これは、ピンチポイントが常に単一であり、ほぼ一貫して電圧および電流がゼロとなる理想的なメモリスタの特性を彷彿とさせます。初期のIV測定が完了した後、各サンプルに対して1日1回のテストを行い、メモリスタのような挙動を示さなくなるまで継続しました。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。時間の経過とともに原形質索は太くなり、1日ほどかけて全体の抵抗値が減少した後、再び増加しました。一部のサンプルでは、初期テスト時には10⁻⁵の範囲であった電流値が、10 Vでの走行時には10⁻⁴の範囲で測定されました。このビデオを視聴することで、設備が充実した研究室や高価な装置がなくても、生物学的メモリスタの実験ができるようになるはずです。この手法は、非従来型コンピューティング分野の研究者が、生物学的メモリスタを実用的なアプリケーションに活用して探索するための道を切り開きました。習得すれば、容器の設置は1時間未満で完了し、成長は12時間以内に完了します。この手順を試みる際は、成長速度が Physarum polycephalum 培養の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。本手順に従って、「Physarum polycephalum のメモリスタ特性の背後にある生物学的メカニズムは何か」といった追加の疑問に答えるためのさらなる実験を行うことができます。

a-method-for-growing-bio-memristors-from-slime-mold

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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粘菌からバイオ memristors を成長する方法

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