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.
Artykuł metodologiczny
Metoda hodowli bio-memrystorów z pleśni śluzowej
W tym artykule
Podsumowanie
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. Pierwiastkite powstały w XVIII iXIX 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 memrystywny9,10. 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 organizmu9,10,13 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 wynikami9,10. 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
- Komory, pokrywy i podstawa
- 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.
- 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).
- 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. - Po zakończeniu drukowania poczekaj, aż temperatura stołu roboczego spadnie poniżej 50 °C, aby wyjąć części.
- Za pomocą cienkiej szczotki drucianej delikatnie oczyść gniazdo elektrody z wszelkich niedoskonałości, które mogą powodować przeszkody podczas dopasowywania komory do elektrody.
- Elektrody
- Wymień filament HIPS na filament czyszczący i przepuść dużą ilość materiału przez głowicę drukującą.
- Załaduj do drukarki elektrycznie przewodzący kwas polimlekowy (PLA) o rezystywności objętościowej 0.75 Ω cm lub mniejszej.
- Ustaw temperaturę stołu roboczego na 60 °C, a ekstrudera na 230 °C (wskazówki znajdują się w kroku 1.1.1).
- Po osiągnięciu temperatury wytłacz kilka centymetrów filamentu przez głowicę drukującą. Ten proces pomoże zapewnić, że wszystkie cząstki stałe z poprzednich sesji zostaną usunięte.
- Korzystając z oprogramowania do krojenia druku 3D, załaduj plik STL elektrody ( Rysunek 3).
- 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).
- W przypadku drukowania kilku elektrod w jednym przebiegu, ustaw drukarkę tak, aby drukowała pojedynczo.
- Po wydrukowaniu pozostaw elektrody na stole roboczym, aż ostygną do temperatury pokojowej. Dzięki temu część nie zostanie wypaczona i zniekształcona.
- Zespół gniazda
- Umieść elektrodę w każdej z dwóch komór. Jeśli krok 1.1.5 został wykonany poprawnie, elektrody powinny wejść do komór bez użycia dużej siły.
- 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.
- Delikatnie poluzuj każdy koniec rurki PVC o średnicy 10 mm nad krawędzią dwóch elektrod.
- Po połączeniu obie komory wpinają się w podstawę.
2. Przygotowanie pojemnika i inokulacja P. polycephalum
- Preparat 2% podłoża agarowego
- Umieść 2 g nieodżywczego mikrobiologicznego proszku agarowego do szklanej butelki o pojemności 250 ml.
- Dodaj 100 ml wody dejonizowanej i dobrze wymieszaj.
- Butelkę należy sterylizować w autoklawie przez 12 - 15 minut w temperaturze 121 °C lub umieścić we wrzącej łaźni wodnej na 15 - 20 minut.
- Umieszczanie substratu agarowego w komorach pojemnika
- Rozpuść agar w łaźni wodnej lub kuchence mikrofalowej.
- Napełnij pipetę o pojemności 2 ml stopionym agarem.
- Napełnij każdą z komór pojemnika, unosząc końcówkę pipety około 5 mm nad wewnętrzną podstawą i powoli napełniając studzienki aż do dna otworu rurki łączącej.
- Natychmiast po napełnieniu studzienek należy nałożyć pokrywę na każdą z komór i odstawić pojemnik na bok, aż agar stwardnieje i osiągnie temperaturę pokojową.
- Inokulacja P. polycephalum
- Umieść płatki owsiane w każdej z dwóch komór.
- 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, przygotowano 5 próbek stosując dokładnie opisaną powyżej metodę. Jako kontrolę przygotowano również 5 próbek zgodnie z metodą opisaną we wcześniejszych badaniach nad memrystorami z P. polycephalum9,10. W tym przypadku dwie elektrody rozmieszczono w odległości ~10 mm w szalkach Petriego o średnicy 60 mm. Każda elektroda składała się z okręgu (~20 mm średnicy) z cynowanego drutu miedzianego (16 pasm o grubości 0,2 mm) wypełnionego 2% bezzasadniczym agarem zdejonizowanym (~2 mL). Wszystkie próbki monitorowano za pomocą obrazowania poklatkowego w celu oceny czasu wzrostu. W tym przypadku 5 próbek z receptakl połączyło dwie elektrody w ciągu 10 h od inokulacji. Najszybsza z nich urosła w czasie krótszym niż 2 h, a najwolniejsza w 10 h, przy średnim czasie wzrostu dla wszystkich 5 próbek wynoszącym 7 h 24 min. Cztery z próbek kontrolnych wytworzyły łączącą rurkę protoplazmatyczną, a jedna rozprzestrzeniła się poza elektrodę inokulacyjną, lecz wyschła przed nawiązaniem wymaganego połączenia. Najszybsza z próbek kontrolnych nawiązała połączenie w ciągu 19 h, natomiast najwolniejsza w 36 h, przy średnim czasie wzrostu próbek kontrolnych wynoszącym 26 h 15 min. Dane te wskazują na znaczny spadek czasu wzrostu dla memrystorów wyhodowanych przy użyciu zaprezentowanej metody.
Profil I-V memrystora jest jego najbardziej definiującą cechą. W związku z tym przeprowadzono pomiary I-V na próbkach, aby uzyskać reprezentatywne wyniki dla niniejszej pracy. Pomiary chwilowego natężenia prądu wykonywano w każdym punkcie sinusoidalnej fali napięcia o 160 krokach. Każdy krok napięcia miał statyczny czas podtrzymania wynoszący 2 s. Pomiary elektryczne przeprowadzono przy użyciu programowalnego źródła napięcia 230 oraz programowalnego elektrometru 617. Urządzenia te wybrano ze względu na ich zdolność do generowania napięcia i wykonywania pomiarów z wysoką rozdzielczością. Eksperymenty przeprowadzono w temperaturze pokojowej w zaciemnionym pomieszczeniu.
Rycina 6 przedstawia typowe krzywe I-V uzyskane z testów memrystorów z P. polycephalum. Rycina 6c i 6d przedstawiają wykresy z reprezentatywnymi pomiarami komponentów zaimplementowanych w szalkach Petriego. Wyniki uzyskane tą metodą wskazują, że choć krzywe mierzone na tej samej próbce są morfologicznie podobne, histereza znacznie różni się między poszczególnymi próbkami. Zmienność ta obejmuje położenie punktów przecięcia (pinch points), wielkość zarówno dodatnich, jak i ujemnych pętli oraz symetrię między pomiarami w ujemnej i dodatniej dziedzinie napięcia. Zatem krzywe I-V mierzone na memrystorach z zastosowaniem metody szalek Petriego nie stanowią sygnatury „idealnego” memrystora, ponieważ punkty przecięcia nie znajdują się przy zerowym napięciu i prądzie. Rycina 6a i 6b przedstawiają wykresy z reprezentatywnymi pomiarami memrystorów wyhodowanych w naczyniach. Położenie punktów przecięcia oraz rozmiary pętli tych pętli histerezy są stosunkowo spójne zarówno wykrzywkach z pojedynczych próbek testowanych w różnych zakresach napięć i krokach czasowych, jak i w porównaniu między próbkami. W związku z tym krzywe I-V z naczyń bardziej przypominały sygnaturę „idealnego” memrystora, gdzie punkty przecięcia były zawsze pojedyncze i niemal zawsze znajdowały się przy zerowym napięciu i prądzie. Jednak mimo podobieństwa morfologii histerezy między próbkami, odnotowano zmienność całkowitej rezystancji między poszczególnymi próbkami.
Po zakończeniu wstępnych pomiarów I-V, każdą próbkę badano raz dziennie, dopóki nie przestały wykazywać krzywych memrystywnych. Z 4 próbek kontrolnych 2 wyschły w ciągu 2 dni od rozpoczęcia testów, natomiast pozostałe 2 nadal rejestrowały krzywe zacisnięte przez kolejne 2 dni. Próbki z receptorami zachowały memrystancję przez co najmniej 7 dni, przy czym 3 próbki przekroczyły ten czas. Z biegiem czasu rurki protoplazmatyczne w każdej próbce z receptorami stawały się grubsze, co wiązało się ze spadkiem całkowitej rezystancji; w niektórych próbkach odnotowano wartości w zakresie A x 10-04 dla pomiarów przy 10 V, w porównaniu do A x 10-05 w ich wcześniejszych testach.
Wyniki obszernych testów przedstawionego naczynia znajdują się w artykule autorstwa Braunda14.
Rycina 1: Fotografia 2-dniowej hodowli plazmodium P. polycephalum. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rysunek 2: Zrzut ekranu pliku STL gniazda po jego wczytaniu do oprogramowania do slicingu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Rycina 3: Zrzut ekranu pliku STL elektrody po załadowaniu do oprogramowania do slicingu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rycina 4: Zrzut ekranu z konfiguracją ustawień do drukowania modelu STL elektrody.
Rysunek 5: Dwie fotografie przedstawiające memrystory z P. polycephalum zaimplementowane w szalce Petriego (po lewej) oraz przy użyciu metody przedstawionej w niniejszej pracy (po prawej). Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.
Rycina 6: Cztery wykresy I-V uzyskane z dwóch memrystorów wyhodowanych w zagłębieniach (a, b) oraz dwóch zaimplementowanych w szalkach Petriego (c, d). Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.
Rysunek 7: Fotografie przedstawiające naczynie wykorzystywane do hodowli rurek o różnych długościach.
Rysunek 8: Fotografia przedstawiająca rurki 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 odnośnikach12,18 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.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
To badanie zostało sfinansowane przez Szkołę Nauk Humanistycznych i Sztuk Performatywnych Uniwersytetu w Plymouth. Autorzy chcieliby podziękować firmie Functionalize za dostarczenie próbek ich przewodzącego PLA.
Materiały
| 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. |
Bibliografia
- Chua, L. O. Memristor-The Missing Circuit Element. IEEE Transactions on Circuit Theory. 18 (5), 507-519 (1971).
- Trefzer, A. Memristor in a Nutshell. Guide to Unconventional Computing for Music. , 159-180 (2017).
- Strukov, D. B., Snider, G. S., Stewart, D. R., Williams, R. S. The missing memristor found. Nature. 453 (7191), 80-83 (2008).
- Howard, G., Gale, E., Bull, L., De Lacy Costello, B., Adamatzky, A. Evolution of plastic learning in spiking networks via memristive connections. IEEE Transactions on Evolutionary Computation. 16 (5), 711-729 (2012).
- Sah, M. P., Kim, H., Chua, L. O. Brains are made of memristors. IEEE Circuits and Systems Magazine. 14 (1), 12-36 (2014).
- Miranda, E. R., Kirke, A., Braund, E., Antoine, A. On Unconventional Computing for Sound and Music. Guide to Unconventional Computing for Music. , 23-62 (2017).
- Volkov, A. G., Tucket, C., Reedus, J., Volkova, M. I., Markin, V. S., Chua, L. Memristors in plants. Plant Signal Behav. 9 (2), 37-41 (2014).
- Grimnes, S., Lütken, C. A., Martinsen, ØG. Memristive properties of electro-osmosis in human sweat ducts. World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering, September 7-12, 2009, Munich, Germany. , 696-698 (2009).
- Gale, E., Adamatzky, A., de Lacy Costello, B. Slime Mould Memristors. BioNanoScience. 5 (1), (2014).
- Braund, E., Sparrow, R., Miranda, E. Physarum-based memristors for computer music. Advances in Physarum Machines. , 755-775 (2016).
- Daniel, J. W., Rusch, H. P. The pure culture of Physarum polycephalum on a partially defined soluble medium. Journal of General Microbiology. 25 (1901), 47-59 (1961).
- Adamatzky, A. Physarum wires: Self-growing self-repairing smart wires made from slime mould. Biomedical Engineering Letters. 3 (4), 232-241 (2013).
- Tarabella, G., et al. A hybrid living/organic electrochemical transistor based on the Physarum polycephalum cell endowed with both sensing and memristive properties. Chemical Science. 6 (5), 2859-2868 (2015).
- Braund, E., Miranda, E. On Building Practical Biocomputers for Real-world Applications: Receptacles for Culturing Slime Mould Memristors and Component Standardisation. Journal of Bionic Engineering. 14 (1), 151-162 (2017).
- Peninsula Arts. Peninsula Arts Contemporary Music Festival 2016. , Available from: http://cmr.soc.plymouth.ac.uk/event2016.htm (2017).
- Walter, X. A., Horsfield, I., Mayne, R., Ieropoulos, I. A., Adamatzky, A. On hybrid circuits exploiting thermistive properties of slime mould. Scientific reports. 6, (2016).
- Romeo, A., Dimonte, A., Tarabella, G., D'Angelo, P., Erokhin, V., Iannotta, S. A bio-inspired memory device based on interfacing Physarum polycephalum with an organic semiconductor. APL materials. 3 (1), (2015).
- Whiting, J. G., de Lacy Costello, B., Adamatzky, A. Transfer function of protoplasmic tubes of Physarum polycephalum. Biosystems. 128, 48-51 (2015).
Przedruki i uprawnienia
