Name: 바이오-memristors 점액 금형에서 성장 하는 방법 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-11-02T12:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 46 s
Description: 배우세요 Physarum polycephalum을 이용한 바이오-멤리스터 표준화 배양 방법을. 3D 프린팅 수용체와 아가르 배지를 활용하여 12시간 내 전극 연결을 완료하고, 비전문가도 실험이 가능한 생물계산 기술을 탐구하세요.

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이 연구는 플 리 머 스 대학 인문 학교와 공연 예술에 의해 투자 되었다. 저자 그들의 전도성 PLA의 샘플을 공급을 위해 Functionalize를 인정 하 고 싶습니다.

1. 3D 인쇄 콘센트의 제작 인쇄 침대 온도 85 ° C를 설정 하려면 프린터 인터페이스를 사용 하 여 <ol><li>챔버, 뚜껑, 및 베이스 <ol><li>부하 3D 프린터 고 영향도 폴리스 티 렌 (엉덩이) 그리고 230 ° c 압출 기 온도 도달 하면, 게으름 뱅이 팔을 풀고, 필 라 멘 트를 삽입 하 고 뜨거운 쪽으로 밀어내기 시작 될 때까지 밀어. 필 라 멘 트 게으름 뱅이 팔 풀림 그리고 압출된 소재 제거.</li>
		<li>3D 인쇄 파일 탭으로 이동 하 고 가져오기/열기 옵션 ( 그림 2)를 선택 하 여 일반적으로 달성 될 수 있는 소프트웨어를 깔 끔 히 3D 소켓 STL 모델 파일을 가져올.</li>
		<li>소프트웨어를 깔 끔 히 높고 낮은 품질 인쇄 설정을 제공 하는 경우 또한 올바른 소재 프로 파일을 선택 하면서 고품질 선택. 
		참고: 하나의 실행에 여러 그릇 인쇄 있는지 확인 하는 경우 소프트웨어 한 번에 하나의 각 개체를 인쇄 하려면 설정 됩니다. 이 단계를 생략 하는 경우 인쇄 품질을 줄일 수 있습니다, 가능성이 발생 허용 문제는 부품을 함께 피팅 때.</li>
		<li>인쇄 완료 되 면 인쇄 침대 온도 50 ° C 아래 부분을 제거 하는 때까지 기다립니다.</li>
		<li>전극와 챔버 피팅 때 방해를 일으킬 수 있는 어떤 불완전 든 지의 전극 소켓을 취소 부드럽게 얇은 와이어 브러시를 사용 하 여.</li>
	</ol></li> <li>전극 <ol><li>청소 필 라 멘 트에 대 한 엉덩이 필 라 멘 트를 교체 하 고 충분 한 자료의 인쇄 머리를 통해 실행.</li>
		<li>프린터는 전기 전도성 polylactic 산 (PLA) 필 라 멘 트를 0.75 Ω-cm 이하로 볼륨 저항력과 로드.</li>
		<li>인쇄 침대 온도 60 ℃ 및 230 ° C에 압출 기를 설정 (단계 1.1.1 지침 참조).</li>
		<li>온도 도달 하면, 몇 센티미터 프린트 헤드를 통해 필 라 멘 트의 압출 성형. 이 프로세스는 이전 세션에서 모든 입자 제거 되도록 하는 데 도움이 됩니다.</li>
		<li>3D 인쇄 소프트웨어, 슬라이스를 사용 하 여 로드 전극 STL 파일 ( 그림 3).</li>
		<li>인쇄 설정에서 다음 지정: 레이어 높이 = 0.16 m m, 쉘 두께 1.7 m m, 하단/상단 두께 = = 0.74 mm, 채우기 밀도 = 100% ( 그림 4).</li>
		<li>하나 실행에 여러 가지 전극 인쇄를 한 번에 하나씩 인쇄 프린터 설정.</li>
		<li>한번 인쇄 전극 인쇄 침대에 때까지 떠나지 그들은 실내 온도에 냉각. 그러면 부품 뒤틀린 것과 misshaped 될 하지 않습니다.</li>
	</ol></li> <li>소켓 어셈블리 <ol><li>두 챔버의 각 전극 슬롯. 단계 1.1.5 제대로 완료 된 경우 전극 힘 없이 실로 야 한다.</li>
		<li>폴 리 염화 비닐 (PVC) 튜브 (4 m m 내경 및 외경 6 m m)를 똑바로 하 고 깔끔하게 각 끝 절단 되도록 돌의 10mm 조각 잘라 날카로운 메스를 사용 하 여.</li>
		<li>부드럽게 두 전극의 가장자리에 10 m m PVC 튜브의 양끝을 완화.</li>
		<li>연결, 2 개의 약 실을 베이스에 클립.</li>
	</ol></li></ol> 2. 소켓 준비와 P. polycephalum 접종 <ol><li>2 %agar 중간 준비 <ol><li>250 mL 유리병에 넣어 비 영양소 미생물 한 천 가루 2 g.</li>
		<li>이온된 물 100 mL를 추가 하 고 잘 섞으십시오.</li>
		<li>압력솥에서 121 ° C 또는 장소 15-20 분에 대 한 끓는 물 욕조에 12-15 분 병</li>
	</ol></li> <li>소켓으로 agar 기판 설정 &#39; s 챔버 <ol><li>녹아 물 목욕 이나 전자 레인지를 사용 하 여 한 천.</li>
		<li>녹은 한 천 2 mL 피 펫을 채울.</li>
		<li>소켓의 각 채우기 &#39; 여 피펫으로 내부 기지 위에 약 5mm의 펜촉을 유혹 천천히 연결의 하단까지 웰 스의 챔버 튜브 구멍.</li>
		<li>즉시 우물을 작성 후 각 약 실에 뚜껑을 배치 하 고는 agar는 설정 하 고 실내 온도 도달 될 때까지 용기를 마련해.</li>
	</ol></li> <li>P. polycephalum 접종 <ol><li>귀리 플레이크 두 챔버의 각 장소.</li>
		<li>는 굶 어에서 pseudopods의 1 2 mL blob을 제거 (약 12 h) 문화 변형 체의 2 개의 약 실 중 하나에 놓습니다. 빠른 성장을 촉진 하려고 기체의 앞쪽 가장 활성에서 원형질.</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>

저자는 공개 없다.

이 종이 memristors myxomycete P. polycephalum에서 성장 하는 방법을 제시. 유기 체 관련 바이오 memristors 구현 된 제약 조건 중 일부를 극복 하기 위해 설계 된 3 차원 인쇄 그릇 안으로 성장 된다. 이러한 한계는 설치 시간, 샘플 성장 시간, 및 샘플 샘플 성장 조건 및 전기 관측을 위한 규격화의 부족 포함합니다.
우리의 콘센트 반도 예술 현대 음악 축제 2016 (PACMF) 및 해당 웹사이트15에 대 한 인쇄 홍보 자료에서 2015 년에 처음으로 밝혀졌다. 여기, 우리의 기술 라이브 뮤지션 뮤지컬 반주를 생성할 수 있던 하이브리드 하드웨어 bioware 인터랙티브 뮤직 시스템을 개발 사용 되었다. 참조14, 우리는 우리의 콘센트의 광범위 한 테스트에 보고 하 고 이전 접근9,10에 대 한 결과 비교. 이러한 발전에 따라 연구자의 또 다른 그룹 이후에 만드는 성장 환경 생물의 thermistive 속성16, 공부를 탐험 하지만 이들은 memristive 속성과 동일. 그러나, 단지 있었다 P. polycephalum memristors13,17를 구현 하는 제어 방법을 개발에서 다른 2 개의 시도. 이러한 실험에서 우물입니다 (PDMS) 라는 젤 같은 생체 탄성 소재로 만들어진 고 전극은 다양 한 금속 또는 poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS)를 사용 하 여 만들어진. 이러한 자료는 정기적으로 전자, 마이크로, 그리고 바이오 닉 공학에 사용 됩니다, 하지만 그들은 비싸다 하 고 약간의 전문 지식을 사용 하 여 필요. 예를 들어 PEDOT:PSS 그것의 전도도 개선 하기 위해 스핀-코팅 및도 핑 필요 합니다. 따라서 기술 전문가 리소스에 액세스 권한이 없는 사람에 도달 됩니다. 이 문서에서 제공 하는 소켓 사용 방법 및 물자를 쉽게 액세스 하 고 저렴 합니다. 또한, 서식 지, 어디 시도 시간 어떤 기간에 대 한 셀을 살아 있는 유지 되었다 다른 P. polycephalum memristor 시 달리는 변형 체에 대 한 친절 한 환경을 제공 하는 디자인.
지금까지, 그것은 이전 방법을 사용 하 여 (그림 5, 왼쪽) 접시에 유기 체를 경작 하는 일관 된 I-v 측정을 얻기 위해 어렵게 되었습니다. 우리의 방법을이 시나리오를 크게 향상 (그림 6). 우리의 소켓 테스트의 결과 디자인은 성장 시간을 감소, 수명 증가, 표준화 구성 요소 응답을 캡슐화 유기 체를 보호 microenvironment를 만든 증명 하고있다. 또한, 장치는 전기 체계의 구성 요소로 서 유기 체를 통합의 가능한 수단을 제공 합니다.
제시 방법 다양을 한 전기 시스템 내에서 P. polycephalum memristors 활용에 관련 된 문제를 완화 한다. 그러나, 더 연구 및 개발을 필요로 하는 제한이 있습니다. 첫째, 응축 그릇 온도에 빠른 변화를 복종 되는 경우 또는 긴 기간에 대 한 높은 전압을 적용 하는 경우 연결 튜브의 내부 표면에 수집할 수 있습니다. 후자는 유기 체의 높은 저항 전기 에너지를 일으키는 열으로 옮겨질 예정 이다. 만약 중요 한, 결로 연결 튜브의 양쪽 끝에 두 전극 사이의 낮은 저항 통로 만들 수 있습니다. 이 한계는 memristors 오버 로드 되지 있습니다 함으로써 효과적으로 관리할 수 있습니다. 둘째, memristors 제시 메서드를 사용 하 여 생산의 전반적인 저항 구성 요소-구성 요소에서 달라질 수 있습니다. 이러한 현상을 하지 재조립 튜브의 외부 직경을 제한 하는 접근의 결과 수 있습니다. 따라서, 사용자는 memristors의 그들의 응용 프로그램으로 보정 프로세스를 통합 해야 합니다.
이 방법론 감사 우리 지금 P. polycephalum에서 memristive 관측을 원인이 되는 생물학 과정 공부를 시작할 수 있습니다. 그것은 같은 프로세스 우리가 악용 수 있습니다 동적 매개 변수는 요소의 사용을 증가 시키기 위해. 우리는 전압 문을 단 이온 채널 memristance에서 역할을 하는 경우에 변경 되는 extracellular 이온 농도 일부 예비 실험을 실행 하기 시작 했습니다.
제시 그릇만 P. polycephalum memristors 구현에 대 한 설계 되었습니다. 그러나이 소자 들은 단일 구성 요소를 구현 하는 넘어 사용 하,. 예를 들어 참조12,18, 재조립 관 자가 조립 및 자체 수리 생물학 와이어로 연구 했다. 이러한 두 조사에서 연구팀은 추가 작업 방법을 성장 하는 계획에 따르면 재조립 관의 확립 필요 했다 표현 했다. 그릇이이 문서에서 앞으로 넣어 두, 또는 잠재적으로 더 많은 포인트 사이 튜브의 생산을 묘사 하는 방법을 제공 합니다. 그림 7 두 사진 길이에 건강 한 튜브를 성장 하는 그릇을 사용할 수 있는 설명에 100 m m 이상. 참조18, 재조립 튜브의 전달 함수는 조사 되었다. 이 조사에서 결과 튜브를 성장 하는 데 필요한 한 유기 체는 전기 시스템에 통합 될 경우 문제가 발생할 수 있음을 나타냅니다. 이것은 기판의 커패시턴스 때문입니다. 여기에 제시 된 그릇 여전히 높은 습도 유지 하는 한이 필요 합니다. 그러나, 소켓의 디자인에 작은 변화, 그것은 분리형 튜브를 만들 수입니다. 이 설정 완전 하 고 전기 시스템에 잘린 성장 되는 약 실에서 연결이 끊어질 수 튜브에 대 한 수 있습니다. 또한, 튜브의 건강 악화 하기 시작, 그것은 수 수 다시 연결 음식과 유예에 대 한 새로운 챔버에 때까지 그것은 자체 수리 하 고 다시 사용할 수 있습니다. 그림 8 약 실에서 연결이 긴 튜브의 사진을 보여줍니다. 미래 연구는 한 없이 고 제시 방법을 사용 하 여 길이에 성장 될 때 재조립 튜브의 전기적 특성을 조사 필요 합니다.

오늘날의 컴퓨터 3 2-터미널 기본 수동 회로 요소를 사용 하 여 만들어집니다: 커패시터, 저항, 및 인덕터. 수동 요소만 낭비 하거나 그것을 생성 하지 않는 에너지를 저장 할 수 있다. 이러한 요소는 18일 및19 세기에 설립 되었다 하 고 맥스웰 방정식을 통해 연결. 4 개의 회로 변수 2 사이 그들의 관계의 측면에서 이러한 세 가지 회로 부품의 각 정의 즉, 전류 (I), 전압 (V), 충전 (Q), 그리고 플럭스 연계 (φ). 충전 전류의 시간 적분 이며 플럭스의 시간 적분으로 전압을 정의 하는 패러데이 법칙. 따라서, 커패시터 충전 전압 사이의 관계에 의해 정의 됩니다, 저항 및 전류, 전압 사이 관계에 의해 정의 되 고 인덕터는 자 속 간의 관계에 의해 정의 하 고 현재. 잘 한 세기 이상,에 대 한 이러한 요소 전자의 초석 이었다. 그러나, 그들은 단지 플럭스 연계 및 링크 되지 않은 충전 회로 변수 사이의 가능한 관계를 4 쌍의 3 개를 나타냅니다. 1971 년 레온 Chua 어디 그 누락 된 네 번째 요소 라고는 memristor 나머지 두 개의 변수를 연결 했다 postulated 종이1 를 발표 했다. memristor 수 수축 '메모리 저항.' 따라서 그것의 역사를 기억 하는 저항으로 설명 그 기간 이전에 적용 된 전압의 크기에 따라 그것의 저항을 변경 하 여이 요소 기능. 또한,는 memristor 전압은 더 이상 적용 되 면 마지막 저항 상태를 유지 합니다. 커패시터, 저항, 및 인덕터와 달리 memristor의 행동은 비선형,-V 프로필에 분명 슬쩍된 히스테리시스 루프는 AC 전압에서 형성 된다. 이 루프는 2 개의 수직 진동의 높고 낮은 저항 상태를 포함 하는 리사 그림의 형태로 걸립니다. Chua의 공식화 memristance 이론, 전에 다른 연구원 보도 했다 특정 주파수에서 메모리 저항 효과에 마이크로미터에서 전기 장치 개발 함께 금속 산화물, 고분자 등 재료를 실험 하는 경우 규모2. 그러나, 대부분의 경우에서 이러한 효과 바람직하지 않은 간주 됐다. 그것은 거의 40 년 물리적 장치에 연결 되어 있어야 Chua의 형식화에 대 한 연구자 memristive 효과 이용의 방법을 개발을 시작 했다. HP 연구소에서 팀 20083 요소에 거 대 한 관심을 촉발 하는 memristive 장치 조작에 성공 했다.
컴퓨터 과학자 memristor 단일 단위로 처리 및 메모리 능력을 결합 하 여 첫 번째 요소로 신용 되 고 그것 때문에 예리한 관심을가지고. 그것은 또한 스파이크 타이밍 종속 소성 (STDP)4, 이름 하지만 하나 같이 특정 신경 프로세스에 유사한 된 동작을 표시 합니다. 이러한 행동은 메모리와 중앙 처리 장치 (CPU) 구분5포기 같은 뇌 컴퓨팅 기술 건물의 관점을 상승을 주고 있다. Memristors (예 티 오2, 사용) 개발에 인기 있는 접근, 달리 우리의 야망 유기 바이오 memristor 개발 하는 것입니다. 또한, 우리는 어떻게이 구성 요소는 엔지니어링 컴퓨팅 장치; 기존의 방식 넘어 패러다임을 탐구의 수단을 제공할 수 있습니다에 관심이 예를 들어, 창조적인 분야에서에서 응용 분야의 컴퓨터 음악6.
Memristance는 연구원은 최근 생물 학적 시스템의 범위에 걸쳐 발견 되는 효과입니다. 예를 들어 memristive 속성 알로에 베라 식물7 와 인간의 피부8인용 하지만 2에서 관찰 되었습니다. 이러한 발견 생물학 기판에서 처리 및 메모리 장치를 구현할 수 있을 수 있습니다 나타냅니다. 기술 내 유기 시스템 활용 자기 집합 같은 흥미로운 개념을 탐구 하는 우리, 자가 수리, 낮은 환경에 미치는 영향, 및 자체 전원 수 있습니다. 그러나 전에 우리가 이러한 기회를 조사할 수 있습니다, 몇 가지 과제 해결 될 필요가 있다. Memristive 속성을 생물 학적 시스템의 많은 실제 전자 부품으로 그들의 생존 능력을 제한 하는 중요 한 제약 조건이 있다. 예, 알로에 베라 잎7 빛을 필요, 한정 된 수명이 있다 고 회로로 통합 하기 어려울 것 이다. 또한, 여러 다른 비보에 memristive 현상 같은 인간의 땀 덕트8없습니다 실험실 및 일상 전자 시스템에 사용 하기 위해 시스템 개발을 위한 현재 가능한 옵션. 그러나, 모든 memristive 현상에의 한 잠재적인 후보입니다: P. polycephalum.
P. polycephalum 의 변형 체는 무 조직 단 세포 시스템 memristive 구성 요소9,10로 발견 되었습니다입니다. 이 유기 체는 다 수 이유를 위한 하이브리드 하드웨어 wetware 전자에서 연구를 위한 이상적인 후보자 이다. 첫째, 유기 체 비 병원 성, 거시적인, 고는 변형 체 엔지니어 및 비 생물학 렌더링 아무 전문 장비 사용을 요구 한다. 둘째, 셀 비정 질, 와이어 같은 혈관의 네트워크를 형성 이며 대부분 기판 (그림 1)에 성장할 것입니다. 이러한 속성에는 셀의 형태는 전통적인 전기 체계를 따라야 하 delineated 쉽게 수를 수 있습니다. 변형 체 4 년11, 살 수 있는 그리고 그것의 정 맥 자체 복구 전도성 경로12로 작동할 수 있다 시연 하는 연구도 있다. 여러 실험실 연구는 생명체의 memristive 능력9,,1013 확인 했습니다 그리고 지금 시간 그것의 잠재력을 탐구 하는 잘 익은.
P를 사용 하 여 아이디어입니다. polycephalum memristors은 상대적으로 새로운. 그 결과, 측정 하 고 관찰의 전기적 특성에 대 한 아무 설립된 기준이 있다. 그러한 실험 절차 같은 연구 그룹 및 그룹 사이에서 균일의 부족 사이 불일치는 이유 결과9,10출판 있을 수 있습니다. 그런 변이 샘플 성장 조건 및 처리에서 가장 눈에 띄는 높습니다. 따라서, 우리 생산 방법을 확립 해야 하 고 오류가 발생할 수 있습니다 요소는 더 나은 P. polycephalum memristors 테스트 제어 및 모니터링.  또한, 우리는 전기 시스템에 안정적이 고 쉬운 통합을 허용 하는 P. polycephalum memristors 구현 메서드를 만드는 데 필요 합니다.
이 문서에 소개 된 메서드는 전기 회로도에 부품으로 유기 체를 통합의 수단을 제공 하 여 P. polycephalum memristors의 실용적인 응용 프로그램의 탐색을 위해 플랫폼을 제공 합니다. 그것은 이러한 기술 하이브리드 하드웨어 wetware 시스템의 실제 사용을 탐험 하고자 하는 엔지니어에 게 호소 합니다. 또한, 그것은 비 전문가 (예를 들어, 오픈 소스 전자 프로토 매니아)에 액세스할 수 누구 파격적 컴퓨팅의 측면을 함께 실험에 관심이 있을 수 있습니다 하지만 프로토 타입에 적응을 찾아 어려운 발견 그들의 필요합니다. 일부 잠재적인 응용 프로그램 동작, 상태 저장 l 수행 접근 개발 급상승 memristors 활용 하는 확률 모델 구현 포함 될 수 있습니다.ogic 작업 및 정보 저장에 대 한 신경 프로세스 모델링 및 처리 합니다.

<table><tbody><tr><td>전도성 PLA 필라멘트 2.85mm</td><td>기능화</td><td>FE_1LB_2.85MM</td><td>전도성 3D 프린팅 필라멘트</td></tr><tr><td>HIPS 필라멘트 3mm 1KG(검정색)</td><td>NuNus</td><td>104856</td><td>3D 프린팅 필라멘트</td></tr><tr><td>청소 필라멘트, 3mm, 0.1kg, 천연</td><td>3D Prima</td><td>3DPCLEAN300</td><td>3D 청소 필라멘트</td></tr><tr><td>Lulzbot Taz 5</td><td>Lulzbot</td><td>TAZ 5</td><td>3D 프린터</td></tr><tr><td>한천 분말</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>0504</td><td>비영양 미생물 한천 분말</td></tr><tr><td>4mm ID x 6mm OD 투명 PVC 튜빙 파이프 호스 5 미터</td><td>아마존</td><td>B008NC4JUO</td><td>PVC 튜빙 롤</td></tr><tr><td>Physarum polycephalum Plasmodium, Living, Plate</td><td>Carolina Biological Supply Company</td><td>156193</td><td>Plasmodium culture.</td></tr><tr><td>귀리 플레이크,</td><td>Carolina Biological Supply Company</td><td></td>, Plasmoidum Cura LulzBot Cura LulzBot Edition https://www.lulzbot.com/cura 230 프로그래밍 가능한 전압 소스, Keithley Instruments <td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td>전압 소스 기기에</td></tr> 공급하기 위해 오크 플레이크.<tr><td>617 프로그래밍 가능한 전위계</td><td>Keithley Instruments</td><td></td><td>저전류를 측정하기 위한 전위계.</td></tr></tbody></table>

바이오-memristors 점액 금형에서 성장 하는 방법

A Method for Growing Bio-memristors from Slime Mold

우리의 연구 엔지니어 소설 bioelectronic 시스템 및 생물학 기반 컴퓨팅 아키텍처 위해서는 생물의 전자 속성의 더 나은 이해를 얻고 목적 이다. 이 특정 종이 단 세포 점액 금형 개발 바이오 memristors (또는 생물 학적 memristors) Physarum polycephalum 활용에 초점을 맞추고 및 바이오 컴퓨팅 장치. memristor 메모리를 소유 하는 저항입니다. 그것은 4 기본적인 수동 회로 요소 (다른 3 개는 저항, 커패시터, 인덕터), 컴퓨팅 시스템의 새로운 종류의 디자인에 대 한 방법을 포장입니다. 예를 들어, 저장 및 중앙 처리 장치 사이 구별을 포기 수 컴퓨터. AC 전압으로 적용 하는 경우는 memristor의 전압 특성 대 전류는 슬쩍된 히스테리시스 루프. 그것은 P. polycephalum AC 전압에서 슬쩍된 히스테리시스 루프를 생성 하 고는 memristor의 기능 비교 적응형 동작 표시 되었습니다. 이 문서 제공 우리가 개발 하는 바이오-memristors P. polycephalum 를 구현 하 고 문화 유기 체, 전자 회로 구성 요소로 배포를 용이 하 게 하는 소켓의 개발을 소개 합니다. 우리의 방법은 성장 시간을 감소, 부품 수명 증가 및 전기 관측 표준화을 입증 했다.

대표적인 결과 생성 하려면 우리는 위에서 설명 하는 정확한 방법을 사용 하 여 5 샘플을 설정 합니다. 컨트롤에 대 한 5 샘플 또한 초기 P. polycephalum memristor 조사9,10에 설명 된 방법을 사용 하 여 배열 되었다. 여기, 우리는 2 개의 전극 간격을 60 mm 페 트리 접시 내 ~ 10 mm의 거리에 위치. 주석 도금된 구리 와이어 (0.2 m m에 16 대) 2% 비 영양소 이온된 agar (~ 2 mL)으로 가득의 원형 (직경에서 ~ 20 mm) 각 전극에 의하여 이루어져 있다. 모든 샘플 시간 경과 이미지 성장 시간 검토를 통해 감시 되었다. 여기, 5 소켓 샘플 접종의 10 h 이내 두 전극을 연결. 미만 2 시간에서 이들의 빠른 성장 그리고 가장 긴 7 h는 24 분의 모든 5 샘플에서 평균 평균 성장 시간이 10 h. 컨트롤 샘플의 4 개는 연결 생산 재조립 튜브와 접종 전극에서 전파 하지만 필요한 연결 했다 전에 밖으로 건조. 동안 느린 제어 샘플 26 h 15 분에 걸쳐 평균 증가 시간 36 h 컨트롤 샘플의 빠른 19 h 이내에 그것의 연결을 했다. 이러한 데이터는 memristors 제시 메서드를 사용 하 여 재배에 대 한 성장 시간에 상당한 감소를 보여준다.
V 프로 memristor의 그것의 가장 큰 특징입니다. 따라서, 우리이 문서에 대 한 대표적인 결과 생성 하는 샘플에 I-v 측정을 수행 합니다. 여기, 순간 전류 측정 160 단계 전압 사인 파의 각 포인트에서 만들어졌다. 각 전압 단계 했다 2 s. 전기 측정의 정적 망설임 시간 되었다 230 프로그래밍 가능 전압 소스와 617 프로그래밍 가능한 전위 계를 사용 하 여. 이 소자 들은 전압 및 높은 해상도에서 복용 측정을 소싱할 수 있는 선정 되었다. 실험은 실내 온도에 라이팅된 룸에서 실시 했다.
그림 6 P. polycephalum memristors에 테스트에서 생산 하는 전형적인 i-v 곡선을 보여준다. 그림 6 c 와 6 d 배양 접시에서 구현 하는 구성 요소에서 대표적인 측정 플롯을 표시 합니다. 이 메서드를 사용 하 여 결과, 곡선 같은 샘플에 측정은 형태학 상으로 유사한, 히스테리시스 변화 한다 무 겁 게 샘플 샘플에서 보여줍니다. 이러한 변형 핀치 포인트, 긍정적이 고 부정적인 돌출부의 규모와 부정적이 고 긍정적인 전압 도메인 측정 사이 대칭의 위치를 포함합니다. 따라서,-V 커브 memristors 페 트리 접시 메서드를 사용 하 여 측정는 '이상적인' memristor의 발자국 핀치 포인트 제로 전압 및 전류에서 하지 않기 때문에. 그림 6a , 6b memristors 그릇에 성장에서 대표적인 측정 그래프를 표시 합니다. 핀치 점 위치 및 이러한 히스테리시스 루프의 엽 크기는 상대적으로 일관 된 이산 샘플 곡선 다른 전압 범위 및 시간 단계에서 테스트와 샘플 샘플 곡선에서. 따라서, 소켓-V 곡선 했다 더는 '이상적인' memristor 풋프린트, 핀치 포인트는 항상 단 수의 거의 일관 되 게 0 전압에서 연상 하 고 현재. 그러나, 비록 히스테리시스 형태학 비슷한 샘플 샘플, 샘플 사이의 전체 저항에 변화가 했다. .
테스트 각 샘플에 만들어진 초기 I-v 측정 완료 했다, 그들은 아무 memristive 곡선을 제시 될 때까지 하루에 한 번. 4 제어 샘플의 2를 건조 초기 테스트의 2 일 안에 나머지 2 추가 2 일 동안 슬쩍된 곡선을 기록 하는 동안. 소켓 샘플 3 샘플을을 초과 하는 것은 적어도 7 일 동안 그들의 memristance를 유지. 시간이 지나면서 각 소켓 샘플의 재조립 튜브의 두꺼운, 되었다 전체 저항에서 감소, 일부 샘플 10-04 x A에 측정 10 V 범위 10-05 그들의 이전 테스트에서 x A에 대 한 실행.
리더 문서 Braund14 제시 소켓의 광범위 한 테스트에 대 한 결과 의해 불린다.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig1.jpg"> 
그림 1: P. polycephalum의 변형 체의 2 일 된 문화 사진. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig1large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig2.jpg"> 
그림 2: 소켓 STL 파일 조각화 소프트웨어에 로드 된 후의 화면. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig3.jpg"> 
그림 3: 전극 STL 파일 조각화 소프트웨어에 로드 된 후의 화면. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig3large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig4.jpg"> 
그림 4: 인쇄 전극 STL 모델에 대 한 설정 구성의 스크린샷.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig5.jpg"> 
그림 5: P. polycephalum memristors 페 트리 접시 (왼쪽)에 구현 하 고 (오른쪽)이이 문서에 소개 된 방법을 사용 하 여 묘사한 두 사진. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig5large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig6.jpg"> 
그림 6: 4-V 그래프 두 memristors 그릇 (a, b)에서 재배를 2 접시 (c, d)에 구현 된 생산 되었다. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig6large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig7.jpg"> 
그림 7: 다양 한 길이에서 튜브를 성장 하는 데 사용 되는 소켓을 보여주는 사진.
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig8.jpg"> / > 그림 8: 약 실에서 연결이 재조립 튜브를 보여주는 사진.

이 지 바이오-memristors Physarum polycephalum의 변형 체의 성장에 대 한 개선된 방법을 소개 합니다. 이러한 메서드는 성장 시간을 감소, 부품 수명 증가, 전기 관찰, 표준화 및 기존의 회로에 통합 될 수 있는 보호 된 환경을 만들을 입증 했다.

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

이 절차의 전반적인 목표는 Physarum polycephalum 기반 멤리스터의 구현을 표준화하여, 기술적 통합을 촉진하는 것입니다. 이러한 방법을 통해 실험실 밖의 실제 환경에서 Physarum polycephalum 기반 구성 요소의 실질적인 응용 가능성을 조사하기 시작할 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 비전문가도 쉽게 접근할 수 있고 분석 회로도에 통합 가능한 형태로 구성 요소를 구현한다는 점입니다.우리는 실시간 성능 구현을 위해 Physarum polycephalum 기반 멤리스터를 활용한 음악 처리 시스템을 개발하던 중 이 방법의 아이디어를 처음 얻었습니다. 실험실 외부에서 이러한 구성 요소를 기반으로 하는 시스템을 개발하면서 실용성 문제를 해결해야 했습니다. 우선, 고충격 폴리스티렌을 3D 프린터에 로드하십시오.그 다음, 3D 프린터를 사용할 수 있도록 준비합니다. 출력 베드 온도는 85 °C로, 익스트루더는 230 °C로 설정합니다. 목표 온도에 도달하면 아이들러 암을 풀고 필라멘트를 삽입한 뒤, 핫엔드에서 폴리스티렌이 압출될 때까지 아래로 밀어 넣습니다.그 다음, 필라멘트 아이들러 암을 다시 조이고 압출된 재료를 제거합니다. 이어서 소프트웨어 제어창에서 3D 수용체(receptacle)의 STL 모델 파일을 불러옵니다. 출력 품질에 높음 또는 낮음 옵션이 있는 경우 출력 품질을 '높음'으로 설정하고, 올바른 재료 프로필이 선택되었는지 확인합니다.부품을 수집한 후, 얇은 와이어 브러시를 사용하여 장치 조립에 방해가 될 수 있는 전극 소켓의 이물질을 조심스럽게 제거하십시오. 이제 프린터에서 HIPS 필라멘트를 세척용 필라멘트로 교체하십시오. 그 다음, 프린트 헤드를 통해 충분한 양의 재료를 밀어내어 철저하게 세척되었는지 확인하십시오.다음으로, 낮은 체적 비저항을 가진 전도성 폴리락틱산 필라멘트를 프린터에 장착합니다. 그런 다음 출력 베드 온도를 60 °C로, 익스트루더 온도를 230 °C로 설정합니다. 설정 온도에 도달하면, 이전 작업의 잔여 입자가 모두 제거되었는지 확인하기 위해 필라멘트를 수 센티미터 정도 압출합니다.이제 전극의 STL 파일을 불러오고, 출력 설정에서 레이어 높이, 쉘 두께, 바닥 및 상단 두께, 그리고 채우기 밀도에 필요한 설정값을 지정하십시오. 출력이 완료되면, 전극을 취급하기 전 출력 베드 위에서 실온으로 식히십시오. 이렇게 해야 부품의 변형이나 모양 왜곡을 방지할 수 있습니다.부품을 조립하려면, 먼저 전극을 두 개의 챔버 각각에 조심스럽게 밀어 넣으십시오. 큰 힘을 들이지 않고 들어갈 것입니다. 다음으로, 날카로운 메스를 사용하여 10mm 길이의 PVC 튜브 조각을 조심스럽게 자르되, 각 절단면이 직선이고 깔끔하게 되도록 합니다.그 다음, 10mm PVC 튜브의 양 끝을 두 전극의 테두리에 조심스럽게 끼웁니다. 연결이 완료되면 두 챔버를 베이스에 고정합니다. 준비 단계로 2% 비영양 한천(non-nutrient agar)을 제조합니다.한천(agar)이 약 55 °C로 식으면, 2mL 피펫을 사용하여 한천을 수용기 챔버로 옮깁니다. 피펫 팁을 표면에서 약 5mm 위에 띄운 상태에서 공기 방울이 생기지 않도록 주의하며 연결 튜브 구멍의 바닥까지 웰을 천천히 채웁니다. 웰을 채운 직후 각 챔버에 덮개를 덮고, 한천이 굳어 실온에 도달할 때까지 수용기를 그대로 둡니다.그런 다음, 각 챔버의 한천 위에 귀리 플레이크를 하나씩 놓습니다. 이어서, 12시간 동안 굶긴 plasmodium 배양액에서 pseudopods 덩어리 2mL 하나를 떼어냅니다. 빠른 성장을 촉진하기 위해, 유기체의 가장 활발한 전면부에서 protoplasm을 채취하십시오.이 수용체들은 상당히 견고하며 12시간 이내에 사용할 준비가 완료됩니다. 점균사가 두 전극 사이에 연결을 형성하면 수용체 사용이 가능합니다. 이는 투명한 PVC 튜브를 통해 유기체를 관찰함으로써 쉽게 확인할 수 있습니다.설명된 대로 5개의 시료를 준비하였으며, 성장 시간을 검토하기 위해 타임랩스 이미지를 통해 모니터링하였습니다. 접종 후 10시간 이내에 5개 시료 모두 두 전극을 연결하였습니다. 그중 하나는 2시간 미만으로 연결되었습니다.우리 멤리스터의 IV 특성은 가장 결정적인 특징입니다. 160단계의 전압 사인파의 각 지점에서 순시 전류 측정을 수행하였습니다. 각 전압 단계의 정적 유지 시간은 2초였습니다.실험은 빛이 차단된 실내에서 상온으로 진행되었습니다. 서로 다른 시간 단계와 전압 범위에서 측정된 단일 샘플 곡선들 사이, 그리고 샘플 간 곡선들 사이에서 강한 상관관계가 나타났습니다. 히스테리시스 루프는 로브 크기와 핀치 위치가 비교적 일관되게 나타났습니다.이는 핀치 포인트(pinch points)가 항상 단일하며 거의 일관되게 0V 전압과 전류에서 나타나는 이상적인 멤리스터 특성을 연상시킵니다. 초기 IV 측정이 완료된 후, 각 샘플이 멤리스터와 유사한 방식으로 데이터를 나타내지 않을 때까지 하루에 한 번씩 테스트를 수행했습니다. 5개의 샘플 중 모든 샘플이 최소 7일 동안 기능을 유지했습니다.시간이 지남에 따라 원형질 관은 더 굵어졌으며, 약 하루 동안 전체적인 저항이 감소했다가 다시 증가했습니다. 일부 샘플의 경우 초기 테스트에서는 10⁻⁵ 범위의 전류가 측정되었으나, 10V 구동 시에는 10⁻⁴ 범위의 전류가 측정되었습니다. 이 영상을 시청한 후에는 풍부한 자원을 갖춘 실험실이나 고가의 장비 없이도 생물학적 멤리스터를 이용한 실험을 수행할 수 있을 것입니다. 이 기술은 비정형 컴퓨팅 분야의 연구자들이 실용적인 응용 분야에서 생물학적 멤리스터의 활용 가능성을 탐구할 수 있는 길을 열어주었습니다.숙련되면 수용기를 1시간 이내에 설치할 수 있으며, 성장은 12시간 이내에 완료됩니다. 이 절차를 수행할 때, 성장 속도는 Physarum polycephalum 배양 상태에 크게 좌우된다는 점을 기억하는 것이 중요합니다. 이 절차 이후에는 'Physarum polycephalum 멤리스턴스의 생물학적 메커니즘은 무엇인가?'와 같은 추가적인 질문에 답하기 위해 후속 실험을 수행할 수 있습니다.

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Research

연구

JoVE Journal

Bioengineering

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