Metoda hodowli bio-memrystorów z pleśni śluzowej

Podsumowanie

Ten artykuł przedstawia ulepszoną metodę hodowli bio-memrystorów z plazmodium Physarum polycephalum. Udowodniono, że taka metoda skraca czas wzrostu, wydłuża żywotność komponentów, standaryzuje obserwacje elektryczne i tworzy chronione środowisko, które można zintegrować z konwencjonalnymi obwodami.

Streszczenie

Nasze badania mają na celu lepsze zrozumienie właściwości elektronicznych organizmów w celu zaprojektowania nowych systemów bioelektronicznych i architektur obliczeniowych opartych na biologii. Ten konkretny artykuł koncentruje się na wykorzystaniu jednokomórkowego śluzowca Physarum polycephalum do opracowania bio-memrystorów (lub memrystorów biologicznych) i urządzeń biokomputerowych. Memrystor to rezystor, który posiada pamięć. Jest to czwarty podstawowy element obwodu pasywnego (pozostałe trzy to rezystor, kondensator i cewka indukcyjna), który toruje drogę do projektowania nowych rodzajów systemów obliczeniowych; Na przykład komputery, które mogą zrezygnować z rozróżnienia między pamięcią masową a jednostką centralną. Po przyłożeniu do napięcia przemiennego, charakterystyka prądu w stosunku do napięcia memrystora jest ściśniętą pętlą histerezy. Wykazano, że P. polycephalum wytwarza ściśnięte pętle histerezy pod napięciem przemiennym i wykazuje zachowanie adaptacyjne, które jest porównywalne z funkcjonowaniem memrystora. W artykule przedstawiono opracowaną przez nas metodę implementacji biomemrystorów z P. polycephalum oraz przedstawiono opracowanie pojemnika do hodowli organizmu, co ułatwia jego wykorzystanie jako elementu obwodu elektronicznego. Udowodniono, że nasza metoda skraca czas wzrostu, wydłuża żywotność komponentów i standaryzuje obserwacje elektryczne.

Wprowadzenie

Dzisiejsze komputery są zbudowane przy użyciu trzech podstawowych elementów obwodu pasywnego z dwoma zaciskami: kondensatora, rezystora i cewki indukcyjnej. Elementy pasywne są zdolne jedynie do rozpraszania lub magazynowania energii, a nie do jej generowania. Pierwiastki^te powstały w XVIII i^{XIX wieku i} są połączone równaniami Maxwella. Definiujemy każdy z tych trzech elementów obwodu pod względem ich relacji między dwiema z czterech zmiennych obwodu, a mianowicie prądem (I), napięciem (V), ładunkiem (Q) i wiązaniem strumienia (φ). Ładunek jest całką czasową prądu, a prawo Faradaya definiuje napięcie jako całkę czasową strumienia. Tak więc kondensator jest definiowany przez relację między napięciem a ładunkiem, rezystor jest definiowany przez związek między napięciem a prądem, a cewka indukcyjna jest definiowana przez relację między strumieniem a prądem. Przez ponad sto lat elementy te stanowiły kamień węgielny elektroniki. Jednak reprezentują one tylko trzy z czterech możliwych par relacji między zmiennymi obwodu, pozostawiając niepowiązane wiązanie strumienia i ładunek. W 1971 roku Leon Chua opublikował artykuł¹, w którym postulował, że brakuje czwartego elementu łączącego pozostałe dwie zmienne, który nazwał memrystorem. Memrystor można opisać jako rezystor, który pamięta swoją historię, stąd skrót "rezystor pamięci". Element ten działa poprzez zmianę swojej rezystancji w zależności od wielkości wcześniej przyłożonego napięcia i czasu jego trwania. Co więcej, memrystor zachowuje swój ostatni stan rezystancji, gdy napięcie przestaje być stosowane. W przeciwieństwie do kondensatora, rezystora i cewki indukcyjnej, zachowanie memrystora jest nieliniowe, co jest widoczne w jego profilu I-V, w którym pod napięciem przemiennym tworzy się ściśnięta pętla histerezy. Pętla ta ma postać figury Lissajous zawierającej dwie prostopadłe oscylacje stanów wysokiej i niskiej rezystancji. Przed sformalizowaną teorią pamięci Chua, inni badacze informowali o efektach oporności na pamięć przy określonych częstotliwościach podczas eksperymentów z materiałami takimi jak polimery i tlenki metali, a także opracowywania urządzeń elektrycznych w skali mikrometrowej². Jednak w wielu przypadkach efekty te zostały uznane za niepożądane. Zajęło to prawie czterdzieści lat, aby sformalizowanie Chua zostało połączone z fizycznym urządzeniem i aby naukowcy zaczęli opracowywać metody wykorzystania efektów memrystywnych. W 2008 roku zespołowi z HP Laboratories udało się wyprodukować urządzenie memrystywne³, które wzbudziło ogromne zainteresowanie tym pierwiastkiem.

Informatycy są żywo zainteresowani memrystorem, ponieważ jest on uznawany za pierwszy element łączący zdolności przetwarzania i pamięci w jednym urządzeniu. Wyświetla również zachowania, które są analogiczne do pewnych procesów neurologicznych, takich jak plastyczność zależna od czasu skoku (STDP)⁴, by wymienić tylko jeden. Takie zachowania rodzą perspektywy budowania technologii obliczeniowych podobnych do mózgu, które rezygnują z rozróżnienia między pamięcią a jednostką centralną (lub CPU)⁵. W przeciwieństwie do popularnych podejść do tworzenia memrystorów (na przykład przy użyciu TiO₂), naszą ambicją jest opracowanie organicznego bio-memrystora. Ponadto jesteśmy zainteresowani tym, w jaki sposób ten komponent może zapewnić środki do badania paradygmatów wykraczających poza konwencjonalne podejścia do inżynierii urządzeń obliczeniowych; np. kreatywne aplikacje z zakresu muzyki komputerowej⁶.

Memristance to efekt, który badacze niedawno odkryli w wielu systemach biologicznych. Na przykład właściwości memrystywne zaobserwowano w roślinach aloesu⁷ i human skin⁸, by przytoczyć tylko dwa. Odkrycia te wskazują, że możliwe jest zastosowanie urządzeń przetwarzających i pamięciowych na podłożach biologicznych. Wykorzystanie systemów organicznych w technologii może pozwolić nam na zbadanie ekscytujących koncepcji, takich jak samoorganizacja, samonaprawa, niski wpływ na środowisko i samozasilanie. Zanim jednak będziemy mogli zbadać te możliwości, musimy zająć się kilkoma wyzwaniami. Wiele systemów biologicznych, które mają właściwości memrystywne, ma znaczące ograniczenia, które ograniczają ich żywotność jako rzeczywistego komponentu elektronicznego. Na przykład liść aloesu⁷ potrzebuje światła, ma ograniczoną żywotność i trudno byłoby go zintegrować z obwodem. Co więcej, kilka innych zjawisk memrystywnych in vivo, takich jak ludzkie kanały potowe⁸, nie jest obecnie wykonalnymi opcjami rozwoju systemów do użytku poza laboratorium i w codziennych systemach elektronicznych. Jednak ze wszystkich zjawisk memrystywnych jest jeden potencjalny kandydat: P. polycephalum.

Plasmodium P. polycephalum to amorficzny system jednokomórkowy, który jak odkryto, działa jako składnik memrystywny^9,10. Organizm ten jest idealnym kandydatem do badań nad hybrydową elektroniką sprzętowo-wetware z wielu powodów. Po pierwsze, organizm jest niepatogenny, makroskopowy i nie wymaga użycia specjalistycznego sprzętu, co sprawia, że zarodźce są dostępne dla inżynierów i osób niebędących biologami. Po drugie, komórka jest amorficzna, tworzy sieci żył przypominających druty i będzie rosła na większości substratów (ryc. 1). Właściwości te pozwalają na łatwe określenie morfologii komórki w celu dostosowania jej do konwencjonalnego schematu elektrycznego. Istnieją również badania wykazujące, że plasmodium może żyć przez ponad cztery lata¹¹, a jego żyły mogą działać jako samonaprawiające się szlaki przewodzące¹². Kilka badań laboratoryjnych potwierdziło zdolności memrystywne organizmu^9,10,13 i teraz nadszedł czas, aby zbadać jego potencjał.

Pomysł użycia P. Memrystory wielogłowia są stosunkowo nowe. W związku z tym nie ma ustalonych norm dotyczących pomiaru i obserwacji jego właściwości elektrycznych. Taki brak jednolitości w procedurach eksperymentalnych w obrębie tej samej grupy badawczej i między grupami może być przyczyną niespójności między publikowanymi wynikami^9,10. Jest prawdopodobne, że taka zmienność jest najbardziej widoczna w warunkach wzrostu próbki i obchodzeniu się z nią. W związku z tym musimy ustalić metody produkcji i testowania memrystorów P. polycephalum, w których czynniki mogące powodować błędy są lepiej kontrolowane i monitorowane. Ponadto musimy stworzyć metody wdrażania memrystorów P. polycephalum, które pozwolą na stabilną i łatwą integrację z systemami elektrycznymi.

Metoda przedstawiona w tym artykule stanowi platformę do eksploracji praktycznych zastosowań memrystorów P. polycephalum, dostarczając środków do włączenia organizmu jako składnika do schematu elektrycznego. Jest prawdopodobne, że techniki te przypadną do gustu inżynierom, którzy chcą zbadać rzeczywiste zastosowania hybrydowych systemów sprzętowo-wetware. Co więcej, jest on dostępny dla osób niebędących ekspertami (np. entuzjastów prototypowania elektronicznego typu open source), którzy mogą być zainteresowani eksperymentowaniem z aspektami niekonwencjonalnych obliczeń, ale mają trudności ze znalezieniem prototypów, które można by dostosować do ich potrzeb. Niektóre potencjalne zastosowania mogą obejmować wdrażanie modeli probabilistycznych wykorzystujących zachowanie memrystorów, opracowywanie podejść do wykonywania operacji logiki stanowej oraz modelowanie procesów neurologicznych do przechowywania i przetwarzania informacji.

Protokół

1. Produkcja pojemnika wydrukowanego w 3D

1. Komory, pokrywy i podstawa
   1. Załaduj do drukarki 3D polistyren wysokoudarowy (HIPS) za pomocą interfejsu drukarki, aby ustawić temperaturę stołu roboczego na 85 °C, a ekstrudera na 230 °C. Po osiągnięciu temperatury poluzuj ramię dociskowe, włóż filament i dociśnij, aż zacznie wydostawać się z gorącego końca. Następnie ponownie dokręć ramię dociskowe filamentu i usuń wytłaczany materiał.
   2. Zaimportuj plik modelu STL gniazda 3D do oprogramowania do krojenia druku 3D, co zwykle można osiągnąć, przechodząc do zakładki pliku i wybierając opcje importu/otwarcia (Rysunek 2).
   3. Jeśli oprogramowanie do krojenia oferuje ustawienia druku wysokiej i niskiej jakości, wybierz wysoką jakość, upewniając się jednocześnie, że wybrano właściwy profil materiału.
      UWAGA: W przypadku drukowania kilku pojemników w jednym przebiegu, upewnij się, że oprogramowanie jest ustawione na drukowanie każdego obiektu pojedynczo. Jeśli ten krok zostanie pominięty, jakość druku może ulec pogorszeniu, co prawdopodobnie spowoduje problemy z tolerancją podczas dopasowywania części do siebie.
   4. Po zakończeniu drukowania poczekaj, aż temperatura stołu roboczego spadnie poniżej 50 °C, aby wyjąć części.
   5. Za pomocą cienkiej szczotki drucianej delikatnie oczyść gniazdo elektrody z wszelkich niedoskonałości, które mogą powodować przeszkody podczas dopasowywania komory do elektrody.
2. Elektrody
   1. Wymień filament HIPS na filament czyszczący i przepuść dużą ilość materiału przez głowicę drukującą.
   2. Załaduj do drukarki elektrycznie przewodzący kwas polimlekowy (PLA) o rezystywności objętościowej 0.75 Ω cm lub mniejszej.
   3. Ustaw temperaturę stołu roboczego na 60 °C, a ekstrudera na 230 °C (wskazówki znajdują się w kroku 1.1.1).
   4. Po osiągnięciu temperatury wytłacz kilka centymetrów filamentu przez głowicę drukującą. Ten proces pomoże zapewnić, że wszystkie cząstki stałe z poprzednich sesji zostaną usunięte.
   5. Korzystając z oprogramowania do krojenia druku 3D, załaduj plik STL elektrody ( Rysunek 3).
   6. W ustawieniach drukowania określ następujące parametry: Wysokość warstwy = 0,16 mm, Grubość powłoki = 1,7 mm, Grubość dołu/góry = 0,74 mm, Gęstość wypełnienia = 100% (Rysunek 4).
   7. W przypadku drukowania kilku elektrod w jednym przebiegu, ustaw drukarkę tak, aby drukowała pojedynczo.
   8. Po wydrukowaniu pozostaw elektrody na stole roboczym, aż ostygną do temperatury pokojowej. Dzięki temu część nie zostanie wypaczona i zniekształcona.
3. Zespół gniazda
   1. Umieść elektrodę w każdej z dwóch komór. Jeśli krok 1.1.5 został wykonany poprawnie, elektrody powinny wejść do komór bez użycia dużej siły.
   2. Za pomocą ostrego skalpela wytnij 10-milimetrowy kawałek rurki z polichlorku winylu (PVC) (średnica wewnętrzna 4 mm i średnica zewnętrzna 6 mm), uważając, aby każdy koniec był przycięty prosto i czysto.
   3. Delikatnie poluzuj każdy koniec rurki PVC o średnicy 10 mm nad krawędzią dwóch elektrod.
   4. Po połączeniu obie komory wpinają się w podstawę.

2. Przygotowanie pojemnika i inokulacja P. polycephalum

1. Preparat 2% podłoża agarowego
   1. Umieść 2 g nieodżywczego mikrobiologicznego proszku agarowego do szklanej butelki o pojemności 250 ml.
   2. Dodaj 100 ml wody dejonizowanej i dobrze wymieszaj.
   3. Butelkę należy sterylizować w autoklawie przez 12 - 15 minut w temperaturze 121 °C lub umieścić we wrzącej łaźni wodnej na 15 - 20 minut.
2. Umieszczanie substratu agarowego w komorach pojemnika
   1. Rozpuść agar w łaźni wodnej lub kuchence mikrofalowej.
   2. Napełnij pipetę o pojemności 2 ml stopionym agarem.
   3. Napełnij każdą z komór pojemnika, unosząc końcówkę pipety około 5 mm nad wewnętrzną podstawą i powoli napełniając studzienki aż do dna otworu rurki łączącej.
   4. Natychmiast po napełnieniu studzienek należy nałożyć pokrywę na każdą z komór i odstawić pojemnik na bok, aż agar stwardnieje i osiągnie temperaturę pokojową.
3. Inokulacja P. polycephalum
   1. Umieść płatki owsiane w każdej z dwóch komór.
   2. Usuń jedną 2 ml kropelkę pseudopodów z wygłodzonej (około 12 godzin) kultury plasmodium i umieść ją w jednej z dwóch komór. Aby przyspieszyć wzrost, spróbuj pobrać protoplazmę z najbardziej aktywnej przedniej części organizmu.

Wyniki

Aby uzyskać reprezentatywne wyniki, ustawiliśmy 5 próbek, używając dokładnie metody opisanej powyżej. Dla grupy kontrolnej 5 próbek ułożono również przy użyciu metody opisanej we wczesnych badaniach memrystora P. polycephalum^9,10. W tym przypadku umieściliśmy dwie elektrody rozmieszczone w odległości ~10 mm w obrębie 60 mm szalek Petriego. Każda elektroda składała się z okręgu (o średnicy ~20 mm) z ocynowanego drutu miedzianego (16 stojaków o średnicy 0,2 mm) wypełnionego 2% nieodżywczym dejonizowanym agarem (~2 ml). Wszystkie próbki były monitorowane za pomocą zdjęć poklatkowych w celu sprawdzenia czasu wzrostu. W tym przypadku 5 próbek w pojemniku połączyło dwie elektrody w ciągu 10 godzin od inokulacji. Najszybsze z nich rosły w czasie poniżej 2 godzin, a najdłuższe 10 godzin, przy czym średni czas wzrostu dla wszystkich 5 próbek wynosił 7 godzin i 24 minuty. Cztery z próbek kontrolnych wytworzyły łączącą rurkę protoplazmatyczną, a jedna rozproszyła się z elektrody inokulacyjnej, ale wyschła, zanim uzyskała wymagane połączenie. Najszybsza z próbek kontrolnych połączyła się w ciągu 19 godzin, podczas gdy najwolniejsza potrzebowała 36 godzin, przy średnim czasie wzrostu w próbkach kontrolnych wynoszącym 26 godzin i 15 minut. Dane te wskazują na znaczne skrócenie czasu wzrostu memrystorów hodowanych przy użyciu przedstawionej metody.

Profil I-V memrystora jest jego najbardziej charakterystyczną cechą. W związku z tym przeprowadziliśmy pomiary I-V na próbkach, aby uzyskać reprezentatywne wyniki dla tego artykułu. W tym przypadku dokonano chwilowych pomiarów prądu w każdym punkcie 160-stopniowej sinusoidy napięcia. Każdy stopień napięcia miał statyczny czas przebywania wynoszący 2 s. Pomiary elektryczne wykonano przy użyciu programowalnego źródła napięcia 230 oraz programowalnego elektrometru 617. Urządzenia te zostały wybrane, ponieważ są w stanie pobierać napięcie i wykonywać pomiary w wysokiej rozdzielczości. Eksperymenty prowadzono w temperaturze pokojowej w nieoświetlonym pomieszczeniu.

Rysunek 6 pokazuje typowe krzywe I-V uzyskane z testów na memrystorach P. polycephalum. Rysunek 6c i 6d pokazują wykresy z reprezentatywnymi pomiarami z komponentów zaimplementowanych na szalkach Petriego. Wyniki uzyskane przy użyciu tej metody pokazują, że chociaż krzywe zmierzone na tej samej próbce są morfologicznie podobne, histereza różni się znacznie w zależności od próbki. Taka zmienność obejmuje lokalizację punktów zaciskania, wielkość zarówno dodatnich, jak i ujemnych płatów oraz symetrię między pomiarami w ujemnej i dodatniej domenie napięcia. W związku z tym krzywe I-V mierzone na memrystorach metodą szalki Petriego nie są śladem "idealnego" memrystora, ponieważ punkty zaciskania nie znajdują się przy zerowym napięciu i prądzie. Rysunki 6a i 6b pokazują wykresy z reprezentatywnymi pomiarami z memrystorów hodowanych w pojemnikach. Lokalizacje punktów szczypania i rozmiary krzywek tych pętli histerezy są względnie spójne zarówno w dyskretnych krzywych próbki testowanych w różnych zakresach napięcia i krokach czasowych, jak i w krzywych między próbkami. W związku z tym krzywe I-V gniazda bardziej przypominały ślad "idealnego" memrystora, w którym punkty zaciskania były zawsze pojedyncze i prawie zawsze przy zerowym napięciu i prądzie. Jednakże, chociaż morfologie histerezy były podobne dla każdej próbki, występowały różnice w ogólnej odporności między próbkami. .

Po zakończeniu wstępnych pomiarów I-V, przeprowadzano testy na każdej próbce raz dziennie, aż do momentu, gdy nie wykazały one żadnych krzywych memrystywnych. Z 4 próbek kontrolnych, 2 wyschły w ciągu 2 dni od wstępnego testu, podczas gdy pozostałe 2 kontynuowały rejestrowanie ściśniętych krzywych przez kolejne 2 dni. Próbki z pojemnika zachowywały swoją trwałość przez co najmniej 7 dni, przy czym 3 próbki przekraczały ten okres. Z biegiem czasu każda z probówek protoplazmatycznych w próbce pojemnika stała się grubsza i nastąpił spadek ogólnej odporności, przy czym niektóre próbki mierzyły w zakresie A x ^10-04 dla przebiegów 10 V w porównaniu z A x ^10-05 we wcześniejszych testach.

Czytelnik jest odsyłany do artykułu Braund¹⁴ w celu uzyskania wyników szeroko zakrojonych testów prezentowanego pojemnika.

Rycina 1: Fotografia 2-dniowej hodowli zarodźca P. polycephalum. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Zrzut ekranu pliku STL gniazda po jego załadowaniu do oprogramowania do krojenia. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Zrzut ekranu przedstawiający plik STL elektrody po załadowaniu go do oprogramowania do krojenia. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Zrzut ekranu przedstawiający konfigurację ustawień drukowania modelu STL elektrody.

Rysunek 5: Dwie fotografie przedstawiające memrystory P. polycephalum zaimplementowane na szalce Petriego (po lewej) i przy użyciu metody przedstawionej w tym artykule (po prawej). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6: Cztery wykresy I-V, które zostały wytworzone z dwóch memrystorów wyhodowanych w pojemnikach (a, b) i dwa zaimplementowane na szalkach Petriego (c, d). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 7: Fotografie przedstawiające pojemnik używany do hodowli probówek o różnej długości.

Ryc. 8: Fotografia przedstawiająca probówki protoplazmatyczne, które zostały odłączone od komór.

Dyskusja

W pracy przedstawiono metodę hodowli memrystorów z myxomycete P. polycephalum. Organizm jest hodowany w wydrukowanych w 3D pojemnikach, które zostały zaprojektowane w celu pokonania niektórych ograniczeń związanych z wdrażaniem bio-memrystorów. Takie ograniczenia obejmują czas konfiguracji, czas wzrostu próbki oraz brak standaryzacji warunków wzrostu między próbkami i obserwacji elektrycznych.

Nasz pojemnik został po raz pierwszy ujawniony w 2015 roku w drukowanych materiałach reklamowych Peninsula Arts Contemporary Music Festival 2016 (PACMF) oraz na odpowiedniej stronie internetowej¹⁵. W tym przypadku nasza technologia została wykorzystana do opracowania hybrydowego interaktywnego systemu muzycznego opartego na sprzęcie i oprogramowaniu bioware, który był w stanie generować akompaniamenty muzyczne dla muzyka na żywo. W odnośniku¹⁴ poinformowaliśmy o szeroko zakrojonych testach naszego pojemnika i porównaliśmy wyniki z poprzednimi podejściami ^9,10. Podążając za tymi odkryciami, inna grupa badaczy badała następnie tworzenie środowisk wzrostu w celu zbadania właściwości termicznych organizmu¹⁶, ale nie są one tym samym, co właściwości memrystywne. Podjęto jednak tylko dwie inne próby opracowania kontrolowanego podejścia do wdrażania memrystorów P. polycephalum ^13,17. W tych eksperymentach studzienki wykonano z żelopodobnego biokompatybilnego materiału elastomerowego o nazwie polidimetylosiloksan (PDMS), a elektrody stworzono przy użyciu różnych metali lub poli(3,4-etylenodioksytiofenu):p oly(sulfonian styrenu) (PEDOT:PSS). Chociaż materiały te są rutynowo stosowane w elektronice, mikrofluidyce i inżynierii bionicznej, są drogie i wymagają pewnej wiedzy specjalistycznej. Na przykład PEDOT:PSS wymaga powlekania wirowego i domieszkowania, aby poprawić jego przewodność. W związku z tym techniki te są poza zasięgiem osób, które nie mają dostępu do specjalistycznych zasobów. Pojemniki przedstawione w tym artykule wykorzystują metody i materiały, które są łatwo dostępne i niedrogie. Co więcej, projekt zapewnia przyjazne środowisko dla zarodźca do siedliska, co jest przeciwieństwem innych prototypów memrystorów P. polycephalum, w których nie podjęto żadnej próby utrzymania komórki przy życiu przez dłuższy czas.

Do tej pory trudno było uzyskać spójne pomiary I-V przy użyciu poprzednich metod hodowli organizmu na szalkach Petriego (ryc. 5, po lewej). Nasze metody znacznie poprawiły ten scenariusz (rysunek 6). Wyniki testów naszego pojemnika wykazały, że projekt skrócił czas wzrostu, wydłużył żywotność, ustandaryzował reakcje komponentów i stworzył chronione mikrośrodowisko do hermetyzacji organizmu. Co więcej, urządzenie zapewnia realne sposoby integracji organizmu jako elementu schematu elektrycznego.

Przedstawiona metoda łagodzi szereg problemów związanych z wykorzystaniem memrystorów P. polycephalum w układach elektrycznych. Istnieją jednak ograniczenia, które wymagają dalszych badań i rozwoju. Po pierwsze, kondensacja może gromadzić się na wewnętrznej powierzchni rury łączącej, jeśli gniazda są poddawane szybkiej zmianie temperatury lub jeśli przez długi czas przykładane jest wysokie napięcie. To ostatnie wynika z dużej odporności organizmu na przekształcanie energii elektrycznej w ciepło. Jeśli jest znacząca, kondensacja może utworzyć ścieżkę o niskiej rezystancji między dwiema elektrodami na obu końcach rurki łączącej. Z tym ograniczeniem można skutecznie poradzić, dbając o to, aby memrystory nie były przeciążone. Po drugie, ogólna rezystancja memrystorów wytworzonych przy użyciu przedstawionej metody może się różnić w zależności od komponentu. Zjawisko takie może wynikać z podejścia nieograniczającego zewnętrznej średnicy rurki protoplazmatycznej. W związku z tym użytkownicy mogą być zmuszeni do włączenia procesu kalibracji do swojego zastosowania memrystorów.

Dzięki tej metodologii możemy teraz zacząć badać procesy biologiczne, które powodują obserwacje memrystywne u P. polycephalum. Jest prawdopodobne, że takie procesy mają dynamiczne parametry, które możemy być w stanie wykorzystać do zwiększenia wykorzystania elementu. Zaczęliśmy przeprowadzać wstępne eksperymenty, w których stężenia jonów zewnątrzkomórkowych są zmieniane, aby sprawdzić, czy kanały jonowe bramkowane napięciem odgrywają rolę w memrystancji.

Prezentowane pojemniki zostały zaprojektowane wyłącznie do stosowania memrystorów P. polycephalum. Jest jednak prawdopodobne, że urządzenia te będą miały zastosowania wykraczające poza implementację pojedynczego komponentu. Na przykład w odnośnikach^12,18 rurka protoplazmatyczna była badana jako samoorganizujący się i samonaprawiający się drut biologiczny. W obu tych badaniach naukowcy stwierdzili, że potrzebne są dalsze prace w celu ustalenia metod hodowli probówki protoplazmatycznej zgodnie ze schematem. Pojemniki przedstawione w tym artykule zapewniają metodę wyznaczania produkcji rurki między dwoma lub potencjalnie więcej punktami. Rysunek 7 przedstawia dwie fotografie ilustrujące, że pojemniki mogą być używane do hodowania zdrowych probówek o długości większej niż 100 mm. W piśmiennictwie¹⁸ zbadano funkcję przenoszenia rurki protoplazmatycznej. Wyniki tego badania wykazały, że agar wymagany do wyhodowania probówek może powodować problem, jeśli organizm miałby być zintegrowany z systemem elektrycznym. Wynika to z pojemności podłoża. Prezentowane tutaj pojemniki nadal wymagają agaru, aby utrzymać wysoką wilgotność. Jednak przy niewielkich zmianach w konstrukcji pojemnika możliwe jest stworzenie odłączanej rurki. Taka konfiguracja może pozwolić na odłączenie rurki od komór po zakończeniu wzrostu i wpinanie jej w układ elektryczny. Co więcej, gdy stan rurki zacznie się pogarszać, można ją ponownie podłączyć do nowych komór w celu uzyskania pożywienia i wytchnienia, dopóki się nie naprawi i nie będzie mogła być ponownie użyta. Rysunek 8 przedstawia zdjęcie długich rurek, które zostały odłączone od komór. Potrzebne są dalsze badania, aby zbadać właściwości elektryczne probówki protoplazmatycznej bez agaru i podczas uprawy na dużą długość przy użyciu przedstawionej metody.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Przewodzący filament PLA 2,85 mm	Funkcjonalizacja	FE_1LB_2,85 mm	Przewodzący filament do druku 3D
Filament HIPS 3mm 1KG ()	Filament do druku 3D	NuNus	104856
Filament czyszczący, 3mm, 0,1 kg, naturalny	3D Prima	3DPCLEAN300	Filament do czyszczenia 3D
Lulzbot Taz 5	Drukarka 3D	Lulzbot	TAZ 5
Proszek agarowy	Sigma-Aldrich	0504	Nieodżywcze mikrobiologiczne agar w proszku
4 mm ID x 6 mm OD Przezroczysty wąż rurowy z PVC 5 metrów	Amazon	B008NC4JUO	Rolka rur PVC
Physarum polycephalum Plasmodium, Living, Plate	Carolina Biological Supply Company	156193	kultura Plasmodium.
Płatki owsiane	Carolina Biological Supply Company		Płatki dębowe do karmienia Plasmoidum
Cura	Lulzbot	Cura LulzBot Edition	https://www.lulzbot.com/cura
230 Programowalne źródło napięcia	Keithley Instruments		Przyrząd do pomiaru napięcia.
617 Programowalny elektrometr	Keithley Instruments		Elektrometr do pomiaru niskich prądów.