Name: Um método para o cultivo de Bio-memristors de discoideum (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-11-02T12:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 46 s
Description: Aprenda a cultivar bio-memristores de Physarum polycephalum para computação biológica. Este método padronizado facilita a integração de componentes biológicos em tecnologias práticas e acessíveis.

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Esta pesquisa foi financiada pela escola de Humanidades e artes cênicas da Universidade de Plymouth. Os autores que gostaria de agradecer Functionalize por fornecer amostras de seu PLA condutora.

1. fabricação de um receptáculo 3D impresso <ol><li>Chambers, tampas e base <ol><li>carga um 3D impressora com poliestireno de alto impacto (HIPS) usando a interface de impressora para definir a temperatura da cama impressão a 85 ° C e a extrusora de 230 ° C. Quando as temperaturas são atingidas, soltar o braço tensor, inserir o filamento e empurre para baixo até que ele começa a extrusão do final quente. Em seguida, volte a apertar o braço tensor do filamento e remover o material extrudado.</li>
		<li>Importar o arquivo de modelo 3D recipiente STL para uma impressão 3D corte software, que normalmente pode ser alcançado, acesse a guia arquivo e selecionando as opções de importar/abrir ( Figura 2).</li>
		<li>Se cortar software de alta e baixa oferece configurações de qualidade de impressão, selecione alta qualidade garantindo também que o perfil material correto está selecionado. 
		Nota: Se imprimir vários recipientes durante uma corrida, certifique-se de que o software está definido para imprimir cada objeto um de cada vez. Se esta etapa será pulada, a qualidade de impressão pode ser reduzida, o que provavelmente causará problemas de tolerância ao encaixar as peças juntos.</li>
		<li>Quando a impressão estiver concluída, espere até que a temperatura da cama impressão é inferior a 50 ° C para remover as peças.</li>
		<li>Suavemente com uma escova de arame fino, limpar o soquete de eletrodo de todas as imperfeições que podem causar obstruções ao encaixar a câmara com um eletrodo.</li>
	</ol></li> <li>Eletrodos <ol><li>substituir o filamento de quadris para um filamento limpeza e correr bastante o material através da cabeça de impressão.</li>
		<li>Carregar a impressora com um filamento de ácido (PLA) polilático eletricamente condutor que tem uma resistividade de volume igual ou inferior a 0,75 cm Ω.</li>
		<li>Definir a temperatura da cama impressão a 60 ° C e a extrusora a 230 ° C (consulte Etapa 1.1.1 para orientação).</li>
		<li>, Quando as temperaturas são atingidas, extrude vários centímetros do filamento através da cabeça de impressão. Este processo irá ajudar a garantir que todas as partículas de sessões anteriores são removidas.</li>
		<li>Usando uma impressão 3D corte software, carregar o arquivo STL eletrodo ( Figura 3).</li>
		<li>Nas configurações de impressão, especifique o seguinte: altura da camada = 0,16 mm, espessura da casca = 1,7 mm, espessura inferior/superior = 0,74 mm, densidade de preenchimento = 100% ( Figura 4).</li>
		<li>Se imprimir vários eletrodos em uma corrida, defina a impressora para imprimir um de cada vez.</li>
		<li>Uma vez impresso, deixe os eléctrodos na cama impressão até terem arrefecido à temperatura ambiente. Isso garante que a parte não tornar-se deformado e deformada.</li>
	</ol></li> <li>Montagem receptáculo <ol><li>Slot um eletrodo em cada uma das duas câmaras. Se passo 1.1.5 foi concluído corretamente, os eléctrodos devem entrar as câmaras sem muita força.</li>
		<li>Usando um bisturi afiado, corte um pedaço de 10 mm de cloreto de polivinila (PVC) tubulação (diâmetro interno de 4 mm e 6 mm de diâmetro exterior) tendo o cuidado de garantir que cada extremidade é cortada em linha reta e limpa.</li>
		<li>Aliviar suavemente cada extremidade do tubo de PVC de 10 mm sobre a borda de dois eletrodos.</li>
		<li>Uma vez conectado, as duas câmaras de encaixe na base.</li>
	</ol></li></ol> 2. Preparação do receptáculo e inoculação de p. polycephalum <ol><li>2% preparação médio de ágar <ol><li>colocar 2G de pó não-nutriente ágar microbiológicos em um frasco de vidro de 250 mL.</li>
		<li>Adicionar 100 mL de água desionizada e misturar bem.</li>
		<li>Autoclave a garrafa para 12-15 min a 121 ° C ou lugar num banho de água fervente por 15-20 min.</li>
	</ol></li> <li>Definindo o substrato de agar no receptáculo &#39; câmaras s <ol><li>derreter o ágar usando um banho-maria ou microondas.</li>
		<li>Encher uma pipeta 2 mL com ágar fundido.</li>
		<li>Encha cada um do recipiente &#39; câmaras s pairando a ponta da pipeta aproximadamente 5 mm acima da base interna e lentamente preenchendo os poços até o fundo da conexão do tubo buraco.</li>
		<li>Imediatamente após o enchimento dos poços, coloque uma tampa em cada uma das câmaras e reserve o recipiente até o ágar tem definido e à temperatura.</li>
	</ol></li> <li>P. polycephalum inoculação <ol><li>Coloque um floco de aveia em cada uma das duas câmaras.</li>
		<li>Remover um blob de 2 mL de pseudopods de um faminto (aproximadamente 12 h) cultura de plasmodium e colocá-lo em uma das duas câmaras. Para promover o crescimento rápido, tente tomar o protoplasma de mais ativos anterior do organismo.</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>

Os autores não têm nada para divulgar.

Este trabalho apresentou um método para o cultivo de memristors fora o myxomycete p. polycephalum. O organismo é crescido dentro 3D impressos recipientes que foram projetados para superar algumas das limitações que estão associadas com a implementação do bio-memristors. Tais limitações incluem o tempo de instalação, tempo de crescimento da amostra e falta de padronização para as condições de crescimento de amostra-de-amostra e observações eléctricas.
Nosso receptáculo primeiro foi revelado em 2015 no material impresso de publicidade para a Península de artes Contemporary Music Festival 2016 (PACMF) e respectivos site15. Aqui, nossa tecnologia foi usada para desenvolver um sistema de música interativa de ferragem-bioware híbrido que foi capaz de gerar acompanhamentos musicais para um músico ao vivo. Em referência14, nos informou sobre os testes extensivos do nosso recipiente e comparados os resultados contra anteriores abordagens9,10. Após estes desenvolvimentos, outro grupo de pesquisadores posteriormente explorado criando ambientes de crescimento para o estudo de propriedades do organismo thermistive16, mas estas não são as mesmas propriedades de memristive. No entanto, só houve duas outras tentativas de desenvolver uma abordagem controlada implementando p. polycephalum memristors13,17. Nesses experimentos, poços foram feitos de um material biocompatível elastômero gelatinosa chamado polydimethylsiloxane (PDMS), e eletrodos foram criados usando vários metais ou poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS). Embora estes materiais são usados rotineiramente em eletrônica e microfluídica engenharia biônica, eles são caros e exigem alguma perícia para usar. Por exemplo, PEDOT:PSS precisa girar-revestimento e doping para melhorar sua condutividade. Portanto, as técnicas são fora de alcance para as pessoas que não têm acesso a recursos especializados. Os recipientes apresentados neste artigo usam métodos e materiais que são facilmente acessados e barato. Além disso, o projeto fornece um ambiente hospitaleiro para o plasmódio de habitat, que é em contraste com os outros protótipos do memristor p. polycephalum onde nenhuma tentativa foi feita para manter a célula viva por qualquer período de tempo.
Até agora, foi difícil obter medições consistentes V usando métodos anteriores para cultivo do organismo em placas de Petri (Figura 5, à esquerda). Nossos métodos melhoraram neste cenário significativamente (Figura 6). Os resultados dos testes do nosso receptáculo demonstraram que o design tem diminuiu o tempo de crescimento, aumento da expectativa de vida, padronizado respostas de componente e criado um microambiente protegido para encapsular o organismo. Além disso, o dispositivo fornece meios viáveis de integrar o organismo como um componente de um esquema elétrico.
O método apresentado alivia uma série de questões relacionadas ao aproveitamento de p. polycephalum memristors dentro de sistemas elétricos. Há, no entanto, limitações que exigem mais investigação e desenvolvimento. Em primeiro lugar, a condensação pode reunir na superfície interna do tubo de conexão se os recipientes são sujeitas a uma rápida mudança de temperatura ou se uma alta tensão é aplicada para durações longas. O último é devido alta resistência do organismo causando energia elétrica a ser transferidos para o calor. Se significativa, a condensação pode criar um caminho resistente baixo entre os dois eletrodos em cada extremidade do tubo de ligação. Esta limitação pode ser gerida eficazmente, garantindo que os memristors não estão sobrecarregados. Em segundo lugar, a resistência total dos memristors produzido usando o método apresentado pode variar de componente. Tal fenômeno pode ser resultado da abordagem não restringindo o diâmetro exterior do tubo protoplasmática. Consequentemente, os usuários podem precisar incorporar um processo de calibração em seu aplicativo dos memristors.
Graças a esta metodologia, podemos agora começar a estudar os processos biológicos que estão causando memristive observações em p. polycephalum. É provável que tais processos têm parâmetros dinâmicos que seríamos capazes de explorar para aumentar o uso do elemento. Começamos executando alguns experimentos preliminares onde concentrações de íon extracelular são alteradas para rever se canais iônicos voltagem-dependentes desempenham um papel na Memristência.
Os recipientes apresentados foram concebidos exclusivamente para aplicação p. polycephalum memristors. Estes dispositivos são prováveis, no entanto, ter usos além da implementação de um único componente. Por exemplo, em referências12,18, o tubo protoplasmática foi estudado como um fio biológico auto-montagem e reparação automática. Em ambas estas investigações, os pesquisadores expressaram que prosseguir o trabalho era necessário estabelecer métodos de crescente protoplasmática tubo de acordo com um esquema. Os recipientes apresentados neste artigo fornecem um método de delinear a produção do tubo entre dois ou mais potencialmente, pontos. A Figura 7 mostra duas fotografias ilustrando que os recipientes podem ser usados para crescer saudáveis tubos em comprimentos de mais de 100 mm. Em referência18, foi investigada a função de transferência do tubo protoplasmática. Resultados desta investigação indicaram que o ágar necessário para crescer os tubos pode causar um problema se o organismo estava para ser integrado em um sistema elétrico. Isto é devido à capacitância do substrato. Os recipientes apresentados aqui ainda exigem agar para manter a umidade alta. No entanto, com pequenas alterações ao design do recipiente, é possível criar um tubo destacável. Este conjunto pode permitir que o metrô ser desconectado as câmaras, uma vez que o crescimento é completa e cortada em um sistema elétrico. Além disso, uma vez que a saúde do tubo começa a deteriorar-se, ele pode ser reconectado a novas câmaras para comida e descanso até que tenha reparado em si e pode ser usado novamente. A Figura 8 mostra uma foto de longos tubos que foram desconectadas das câmaras. É necessária investigação futura para investigar as propriedades elétricas do tubo protoplasmática sem o ágar e quando cultivada em distâncias usando o método apresentado.

Computadores de hoje são construídos usando os três elementos fundamentais circuito passivo de dois terminais: o capacitor, resistor e o indutor. Elementos passivos só são capazes de dissipar-se ou armazenando a energia, não gerá-la. Estes elementos foram estabelecidos em 18th e oséculo 19 e estão ligados através das equações de Maxwell. Podemos definir cada um desses componentes de três circuito em termos de sua relação entre duas das variáveis de quatro circuito ou seja, corrente (I), tensão (V), carga (Q) e fluxo-enlace (φ). A acusação é a integral do tempo da corrente e a lei de Faraday define a tensão como a integral do tempo de fluxo. Assim, um condensador é definido pela relação entre a tensão e carga, um resistor é definido por uma relação entre tensão e corrente e o indutor é definido por uma relação entre o fluxo e atual. Para bem mais de um século, estes elementos foram a pedra angular da eletrônica. No entanto, eles representam apenas três dos pares de quatro relações possíveis entre as variáveis do circuito, deixando flux-enlace e carga desvinculado. Em 1971, Leon Chua publicou um papel1 onde ele postulou que havia um quarto elemento ausente que ligava as duas variáveis restantes, que ele chamou o memristor. O memristor pode ser descrito como um resistor que se lembra de sua história, daí a contração 'resistor de memória'. Funções deste elemento alterando sua resistência de acordo com a magnitude da tensão aplicada anteriormente e a sua duração. Além disso, o memristor mantém seu último estado de resistência, uma vez que a tensão é aplicada já não. Ao contrário do capacitor, resistor e indutor, comportamento do memristor é não-linear, que é evidente em seu perfil-V onde um laço de histerese pinçado é formado sob uma tensão AC. Esse loop assume a forma de uma figura de Lissajous contendo duas oscilações perpendiculares dos Estados alto e baixo resistentes. Antes da teoria de Memristência formalizado de Chua, outros pesquisadores relataram sobre os efeitos de resistência de memória em determinadas frequências quando experimentando materiais como polímeros e óxidos metálicos, juntamente com o desenvolvimento de dispositivos elétricos no micrômetro escala2. No entanto, em muitos casos, estes efeitos foram considerados indesejáveis. Levou quase quarenta anos para a formalização de Chua ser conectado a um dispositivo físico e de pesquisadores começar a desenvolver métodos de exploração de efeitos memristive. Uma equipe nos laboratórios HP conseguiu fabricar um dispositivo de memristive em 20083 que despertou grande interesse no elemento.
Cientistas da computação têm um grande interesse no memristor devido a ele ser creditado como o primeiro elemento para combinar as capacidades de processamento e memória em uma única unidade. Ele também exibe comportamentos que são análogos a certos processos neurológicos, como plasticidade dependente-Timing-Spike (STDP)4, para citar apenas um. Tais comportamentos são dando origem às perspectivas de construção de cérebro, como tecnologias de computação que irá ceder a distinção entre memória e unidade de processamento central (ou CPU)5. Em contraste com as abordagens populares para desenvolver memristors (usando o TiO2, por exemplo), a nossa ambição é desenvolver um memristor-bio orgânico. Além disso, estamos interessados em como este componente pode fornecer meios de explorar os paradigmas além de abordagens convencionais para dispositivos de computação de engenharia; por exemplo, aplicações criativas no campo da música de computador6.
Memristência é um efeito que os investigadores encontraram recentemente em toda uma gama de sistemas biológicos. Por exemplo, propriedades de memristive foram observadas em plantas de aloe vera7 e pele humana8, para citar, mas dois. Essas descobertas indicam que é possível implementar dispositivos de processamento e memória em substratos biológicos. Aproveitamento de sistemas orgânicos em tecnologia pode permitir que nos explorar conceitos emocionantes tais como self-assembly, auto-reparo, baixo impacto ambiental e auto alimentação. Antes, no entanto podemos investigar estas oportunidades, vários desafios precisam ser abordadas. Muitos dos sistemas biológicos que têm propriedades de memristive têm restrições significativas que limitam a sua viabilidade como um componente eletrônico real. Por exemplo, uma folha de aloe vera7 precisa de luz, tem uma duração limitada e seria difícil de integrar em um circuito. Além disso, vários outros na vivo memristive fenômenos, tais como dutos de suor humano8, não são opções viáveis atualmente para o desenvolvimento de sistemas para uso fora do laboratório e em sistemas eletrônicos de todos os dias. No entanto, de todos os fenômenos de memristive, há um potencial candidato: p. polycephalum.
O plasmódio do p. polycephalum é um sistema de unicelular amorfo que foi descoberto como um componente de memristive9,10. Este organismo é um candidato ideal para pesquisa em eletrônica de hardware-wetware híbrido para um número de razões. Em primeiro lugar, o organismo é não-patogênicas, macroscópica e requer o uso de equipamento não especialista, que processa o plasmódio acessíveis a engenheiros e não-biólogos. Em segundo lugar, a célula é amorfa, forma redes de arame, como veias e crescerá na maioria dos substratos (Figura 1). Estas propriedades permitem que a morfologia da célula ser facilmente delineados para se conformar com um esquema elétrico convencional. Também há pesquisas demonstrando que o plasmódio pode viver por mais de quatro anos,11, e que suas veias podem atuar como autoreparação de vias condutoras12. Vários estudos de laboratório confirmaram que memristive habilidades9,10,13 do organismo e agora é o momento oportuno explorar seu potencial.
A ideia de usar P. memristors polycephalum é relativamente novo. Como resultado, há não há padrões estabelecidos para medir e observar suas propriedades elétricas. Essa falta de uniformidade nos procedimentos experimentais dentro do mesmo grupo de pesquisa e entre grupos pode ser a razão pela qual existem inconsistências entre publicou resultados9,10. É provável que tal variação é mais proeminente em manipulação e as condições de crescimento de amostra. Assim, precisamos estabelecer métodos para a produção e testes p. polycephalum memristors onde os fatores que podem causar erros são melhores controlados e monitorados.  Além disso, precisamos de criar métodos de execução p. polycephalum memristors que permitem estável e fácil integração em sistemas elétricos.
O método apresentado neste artigo fornece uma plataforma para exploração de aplicações práticas de p. polycephalum memristors fornecendo meios de integrar o organismo como um componente em uma esquema elétrica. É provável que estas técnicas vão apelar para engenheiros procuram para explorar usos reais dos sistemas de hardware-wetware híbrido. Além disso, é acessível aos não especialistas (por exemplo, os entusiastas de prototipagem eletrônica open source) que podem estar interessados em experimentar com aspectos de computação não-convencional, mas têm encontrado dificuldades encontrar protótipos para se adaptar às suas necessidades. Algumas aplicações potenciais podem incluir a implementação de modelos probabilísticos, aproveitando os memristors cravação de comportamento, desenvolvimento de abordagens para executar com monitoração de estado loperações de ogic e modelagem de processos neurológicos para armazenamento de informações e processamento.

<table><tbody><tr><td>Filamento PLA condutor 2,85 mm</td><td>Funcionalize</td><td>FE_1LB_2,85 MM</td><td>Filamento condutor de impressão 3D</td></tr><tr><td>Filamento HIPS 3 mm 1 kg (preto)</td><td>Filamento de impressão 3D</td> <td>NuNus</td><td>104856</td></tr><tr><td>Filamento de limpeza, 3 mm, 0,1 kg, natural</td><td>3D Prima</td><td>3DPCLEAN300</td><td>filamento de limpeza 3D</td></tr><tr><td>Lulzbot Taz 5</td><td>Lulzbot</td><td>TAZ 5</td><td>impressora 3D</td></tr><tr><td>Ágar pó</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>0504</td><td>Pó de ágar microbiológico não nutriente</td></tr><tr><td>4mm ID x 6mm OD Tubo de PVC transparente Mangueira 5 metros</td><td>Amazon</td><td>B008NC4JUO</td><td>Rolo de tubo de PVC</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>Flocos de aveia</td><td>Carolina Biological Supply Company</td><td></td><td>Flocos de carvalho para alimentar o Plasmoidum</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 Fonte de Tensão Programável</td><td>Keithley Instruments</td><td></td><td>Instrumento de fonte de tensão.</td></tr><tr><td>617 Electrómetro Programável</td><td>Keithley Instruments</td><td></td><td>Electrómetro para medir baixas correntes.</td></tr></tbody></table>

um método para o cultivo de bio-memristors de discoideum

A Method for Growing Bio-memristors from Slime Mold

Nossa pesquisa visa ganhar uma melhor compreensão das propriedades eletrônicas dos organismos para engenheiro romance calibracão sistemas e arquiteturas de computação baseadas em biologia. Este papel específico enfoca aproveitarando o unicelular discoideum Physarum polycephalum desenvolver bio-memristors (ou memristors biológica) e dispositivos de computação bio. O memristor é um resistor que possui memória. É o 4º circuito passivo fundamental elemento (os outros três são o resistor, o capacitor e o indutor), que está pavimentando o caminho para a concepção de novos tipos de sistemas de computação; por exemplo, computadores que podem abandonar a distinção entre uma unidade central de processamento e armazenamento. Quando aplicado com uma tensão alternada, a corrente vs característica de tensão de um memristor é um laço de histerese pinçado. Tem sido demonstrado que p. polycephalum produz laços de histerese comprimido sob tensões AC e exibe comportamento adaptativo que é comparável com o funcionamento de um memristor. Este documento apresenta o método que desenvolvemos para a implementação do bio-memristors com p. polycephalum e apresenta o desenvolvimento de um receptáculo para a cultura do organismo, o que facilita sua implantação como um componente de circuito eletrônico. Nosso método comprovadamente diminuir tempo de crescimento, aumentar a vida útil do componente e padronizar as observações eléctricas.

Para produzir resultados representativos, montamos 5 amostras utilizando o método exato descrito acima. Para um controle, 5 amostras também foram organizadas pelo método descrito no início p. polycephalum memristor investigações9,10. Aqui, nós posicionamos dois eletrodos espaçados a uma distância de ~ 10 mm dentro de pratos de Petri 60mm. Cada eletrodo consistia de um círculo (~ 20 mm de diâmetro) do fio de cobre estanhado (16 representa a 0,2 mm) preenchido com um 2% não-nutriente desionizada ágar-ágar (~ 2 mL). Todas as amostras foram monitoradas através de imagens de lapso de tempo para rever o tempo de crescimento. Aqui, as amostras de 5 recipiente conectado os dois eletrodos até 10 horas após a inoculação. O mais rápido destes cresceu em menos de 2 h, e o máximo foi 10 h, com o tempo de média de crescimento média em todas as 5 amostras de 7 h e 24 min. Quatro das amostras controle produziu uma ligação tubo protoplasmática e um propagado fora o eléctrodo de inoculação, mas secou antes é feita a conexão necessária. O mais rápido das amostras controle feita sua conexão dentro de 19 h, enquanto o mais lento demorou 36h, sendo a média de crescimento através de amostras de controlo de 26 h 15 min. Estes dados mostram uma diminuição significativa no tempo de crescimento para memristors crescido usando o método apresentado.
O perfil de-V de um memristor é sua característica mais marcante. Como tal, foram realizadas medições-V sobre as amostras para produzir resultados representativos para este papel. Aqui, as medições de corrente instantâneas foram feitas em cada ponto de uma onda senoidal de tensão 160-passo. Cada degrau de tensão tinha um tempo de interrupção estático de 2 s. medições elétricas foram feitas usando uma fonte de tensão 230 programável e um eletrômetro 617 programável. Estes dispositivos foram selecionados como eles são capazes de sourcing tensão e tomar medidas em alta resolução. Experimentos foram realizados em temperatura ambiente em um quarto apagado.
A Figura 6 mostra as curvas típicas V produzidas a partir de testes na p. polycephalum memristors. Figura 6 c e d 6 mostram terrenos com as medições representativas de componentes implementados nos pratos de Petri. Resultados usando este método mostram que, embora as curvas medidas na mesma amostra são morfologicamente semelhantes, histerese varia fortemente de amostra para amostra. Tal variação inclui a localização de pontos de pitada, a magnitude dos lóbulos positivos e negativos e a simetria entre as medições nos domínios de tensão positiva e negativa. Assim, as curvas-V medidas no memristors usando o método de placa de Petri não são a pegada de um memristor 'ideal' porque pitada pontos não estão no zero da tensão e corrente. Figura 6a e 6b mostram gráficos com medições representativas de memristors cultivadas em recipientes. Os locais de ponto de pitada e tamanhos de lobo destes laços de histerese são relativamente consistentes, tanto em curvas discretas amostra testadas sob tensão diferentes intervalos e tempo-passos e curvas de amostra para amostra. Portanto, curvas de receptáculo-V foram mais uma reminiscência da pegada de um memristor 'ideal', onde foram sempre singular pitada pontos e quase sempre no zero da tensão e corrente. No entanto, apesar de morfologias histerese similar amostra para amostra, houve variação na resistência global entre as amostras. .
Após as medidas iniciais V foram concluídas, testes foram feitos em cada amostra uma vez por dia até que eles apresentaram curvas não memristive. Das amostras de 4 controle, 2 secou dentro de 2 dias de testes iniciais, enquanto os restantes 2 continuou a gravar curvas pinçadas por mais 2 dias. As amostras de recipiente mantiveram seu Memristência pelo menos 7 dias, com 3 amostras superior à. Ao longo do tempo, cada um dos tubos protoplasmática da amostra receptáculo tornou-se mais espesso e houve uma diminuição da resistência geral, com algumas amostras de medição na x 10-04 gama para 10 V atravessa contra A x 10-05 , em seus testes anteriores.
O leitor do artigo é referido por Braund14 para resultados sobre os testes extensivos do recipiente apresentado.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig1.jpg"> 
Figura 1: Uma foto de uma cultura de dia de idade 2 de plasmodium de p. polycephalum. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig1large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig2.jpg"> 
Figura 2: Um screenshot do arquivo STL receptáculo depois que ele é carregado no corte software. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig2large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig3.jpg"> 
Figura 3: um screenshot do arquivo STL eletrodo depois que ele é carregado no corte software. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig3large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig4.jpg"> 
Figura 4: Um screenshot da configuração configurações para impressão o modelo STL do eletrodo.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig5.jpg"> 
Figura 5: Duas fotografias retratando memristors p. polycephalum implementado em uma placa de Petri (à esquerda) e usando o método apresentado neste trabalho (à direita). <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig5large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig6.jpg"> 
Figura 6: Gráficos do quatro-V que foram produzidos a partir de dois memristors cultivadas em recipientes (a, b) e dois implementado em placas de Petri (c, d). <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig6large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig7.jpg"> 
Figura 7: Fotografias mostrando o recipiente a ser usado para crescer tubos em vários comprimentos.
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig8.jpg"> / > Figura 8: uma foto mostrando tubos protoplasmática que foram desconectados das câmaras de.

Este trabalho apresenta um método melhorado para o cultivo de bio-memristors fora o plasmódio de Physarum polycephalum. Provou-se como um método para diminuir o tempo de crescimento, aumentar a vida útil do componente, padronizar as observações eléctricas e criar um ambiente protegido que pode ser integrado em circuitos convencionais.

Um método para o cultivo de Bio-memristors de discoideum

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

O objetivo geral deste procedimento é padronizar a implementação de memristores baseados em Physarum polycephalum, para começar a facilitar sua integração na tecnologia. Usando esses métodos, podemos começar a investigar as aplicações práticas de componentes baseados em Physarum polycephalum fora do laboratório e no mundo real. A principal vantagem dessa técnica é que ela transforma os componentes em uma forma que é acessível a não especialistas e viável para integração em um esquema analítico.Nós tivemos pela primeira vez a ideia deste método ao desenvolvermos um sistema de processamento musical que utilizava memristores baseados em Physarum polycephalum para execução em tempo real. Ao desenvolver um sistema baseado nesses componentes para uso fora do laboratório, foi necessário abordar questões de praticidade. Para começar, carregue primeiro o poliestireno de alto impacto na impressora 3D.Em seguida, prepare a impressora 3D para uso. Ajuste a temperatura da plataforma de impressão para 85 graus Celsius e do extrusor para 230 graus Celsius. Uma vez atingidas as temperaturas-alvo, solte o braço do idler, insira o filamento e empurre para baixo até que o poliestireno saia pelo bico quente.Em seguida, aperte novamente o bra&ccedil;o do idler do filamento e remova o material extrudido. Depois, no controle do software, carregue o arquivo do modelo STL para o recept&aacute;culo 3D. E, se houver op&ccedil;&otilde;es de alta ou baixa qualidade de impress&atilde;o, configure a impress&atilde;o para alta qualidade, garantindo tamb&eacute;m que o perfil de material correto esteja selecionado.Após coletar as peças, use uma escova de arame fina para limpar suavemente o soquete do eletrodo de quaisquer imperfeições que possam interferir na montagem do dispositivo. Agora, na impressora, substitua o filamento de HIPS por um filamento de limpeza. E execute um volume generoso de material através da cabeça de impressão para garantir uma limpeza completa.Em seguida, carregue a impressora com um filamento de ácido polilático eletricamente condutivo que tenha baixa resistividade volumétrica. Depois, defina a temperatura da plataforma de impressão para 60 graus Celsius e o extrusor para 230 graus Celsius. Quando as temperaturas forem atingidas, extruda vários centímetros do filamento para ajudar a garantir que todas as partículas de sessões anteriores sejam removidas.Agora, carregue o arquivo STL do eletrodo e, nas configurações de impressão, especifique as configurações necessárias para a altura da camada, espessura das prateleiras, espessuras inferior e superior e a densidade de preenchimento. Após a impressão, deixe os eletrodos esfriarem até a temperatura ambiente sobre a plataforma de impressão antes de manipulá-los. Isso garante que a peça não fique empenada ou deformada.Para montar as peças, insira suavemente o eletrodo em cada uma das duas câmaras. Ele deve entrar sem muita força. Em seguida, usando um bisturi afiado, corte cuidadosamente um pedaço de 10 mm de tubo de PVC, fazendo cortes retos e limpos.Em seguida, encaixe suavemente cada extremidade do tubo de PVC de 10 mm sobre a borda dos dois eletrodos. Após a conexão, prenda as duas câmaras na base. Como preparação, prepare agar não nutritivo a dois por cento.Uma vez que o ágar tenha esfriado até cerca de 55 graus Celsius, utilize uma pipeta de 2 mL para transferir o ágar para as câmaras do recipiente. Mantenha a ponta da pipeta a cerca de 5 mm acima da superfície e encha lentamente os poços até a base do orifício do tubo de conexão, tomando cuidado para não introduzir bolhas de ar. Imediatamente após encher os poços, coloque uma tampa sobre cada uma das câmaras e deixe o recipiente em repouso até que o ágar tenha solidificado e atingido a temperatura ambiente.Em seguida, coloque um flocos de aveia no ágar em cada câmara. Depois, remova um aglomerado de 2 mL de pseudópodes de uma cultura de plasmodium mantida em jejum por 12 horas. Para promover um crescimento rápido, tente coletar o protoplasma da região anterior mais ativa do organismo.Esses recipientes são bastante robustos e devem estar prontos para uso em até 12 horas. Os recipientes estão prontos assim que o plasmodium estabelecer uma conexão entre os dois eletrodos. Isso pode ser facilmente identificado ao examinar o organismo através do tubo de PVC transparente.Cinco amostras foram preparadas conforme descrito e monitoradas por meio de imagens de lapso de tempo para avaliar seu tempo de crescimento. Dentro de 10 horas após a inoculação, todas as cinco amostras conectaram os dois eletrodos. Uma delas o fez em menos de duas horas.O perfil IV do nosso memristor é a sua característica mais definidora. Foram realizadas medições instantâneas de corrente em cada ponto de uma onda senoidal de tensão com 160 etapas. Cada etapa de tensão teve um tempo de permanência estático de dois segundos.Os experimentos foram realizados à temperatura ambiente em uma sala sem iluminação. Houve uma forte relação entre as curvas de amostra única medidas em diferentes intervalos de tempo e faixas de tensão, bem como entre as curvas de amostra para amostra. Os laços de histerese apresentaram tamanhos de lóbulos relativamente consistentes, assim como locais de estrangulamento.Isso lembra a assinatura ideal de um memristor, na qual os pontos de estrangulamento são sempre singulares e praticamente consistentes em tensão e corrente nulas. Após a conclusão das medições iniciais de IV, foram realizados testes em cada amostra uma vez por dia, até que deixassem de apresentar dados de forma semelhante à de um memristor. Das cinco amostras, todas funcionaram por pelo menos sete dias.Com o tempo, os tubos protoplasmáticos tornaram-se mais espessos e houve uma diminuição da resistência geral ao longo de aproximadamente um dia, seguida por um aumento, com algumas amostras apresentando valores na faixa de 10 elevado a -4 para a corrente durante testes com 10 volts, apesar de terem apresentado valores na faixa de 10 elevado a -5 nos testes iniciais. Após assistir a este vídeo, você deverá ser capaz de experimentar com memristores biológicos sem precisar de laboratórios bem equipados ou de equipamentos caros. Esta técnica abriu caminho para pesquisadores na área da computação não convencional explorarem o uso de memristores biológicos em aplicações práticas.Uma vez dominado, o montagem dos compartimentos pode ser realizada em menos de uma hora, e o crescimento será concluído dentro de 12 horas. Ao tentar este procedimento, é importante lembrar que a velocidade de crescimento depende fortemente do estado da cultura de Physarum polycephalum. Após este procedimento, podem ser realizados experimentos adicionais para responder outras perguntas, como, qual é o mecanismo biológico por trás da memristância do Physarum polycephalum?

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Research

JoVE Journal

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