Summary
本文介绍了一种改进的生物器的方法, 从疟原虫的多头多头。这种方法已被证明可以减少生长时间, 增加元件寿命, 标准化电观测, 并创造一个可集成到传统电路中的保护环境。
Abstract
我们的研究旨在更好地了解生物体的电子特性, 以便设计出新的 bioelectronic 系统和基于生物学的计算体系结构。本论文的重点是利用单细胞粘液霉菌多头多头开发生物器 (或生物器) 和生物计算设备。阻是一种具有记忆的电阻器。它是第四基本的无源电路元件 (其他三是电阻、电容器和电感器), 为新型计算系统的设计铺平了道路;例如, 可能放弃存储和中央处理单元之间的区别的计算机。当在交流电压下应用时, 阻的电流与电压特性是一个夹紧的滞后回路。结果表明, P. 多头在交流电压下产生夹滞滞后回路, 并显示与阻的功能相媲美的自适应行为。本文介绍了利用P. 多头实现生物器的方法, 并介绍了一种用于培养生物体的容器的开发, 它便于将其作为电子电路组件进行部署。我们的方法已被证明可以减少生长时间, 增加元件寿命, 并标准化电观测。
Introduction
今天的计算机是使用三两个终端的基本无源电路元件: 电容器, 电阻, 电感器。被动元素只能够消散或储存能量, 而不是产生它。这些元素在 18th和 19th世纪中建立, 并通过麦克斯韦方程组进行连接。我们定义了这些三电路元件中的每一个, 它们之间的关系, 四电路变量, 即电流 (I), 电压 (V), 电荷 (Q) 和通量链 (φ)。电荷是电流的积分, 法拉第定律将电压定义为通量的时间积分。因此, 电容器是由电压和电荷之间的关系定义的, 电阻是由电压和电流之间的关系定义的, 电感是由流量和电流之间的关系定义的。一个世纪以来, 这些元素都是电子学的基石。然而, 它们只代表三可能的四关系对之间的电路变量, 离开磁链和电荷取消链接。在 1971年, 利昂蔡发表了一篇论文1 , 他假设, 有一个缺失的第四元素, 连接其余的两个变量, 他称之为阻。阻可以被描述为一个电阻器, 它能记住它的历史, 因此收缩 ' 记忆电阻 '。这一元素的功能, 通过改变其阻力, 根据大小的前施加的电压和它的持续时间。此外, 一旦电压不再适用, 阻保留其最后的电阻状态。不同于电容器, 电阻, 电感, 阻的行为是非线性的, 这是明显的, 在其 i-v 的轮廓, 其中一个捏滞环是形成在交流电压。这个循环采取的形式是一个李萨的数字包含两个垂直振荡的高和低阻力状态。在蔡氏形式化的 memristance 理论之前, 其他研究人员报告了某些频率的记忆阻力效应, 例如聚合物和金属氧化物等材料的实验, 以及在千分尺上开发电子器件。缩放2。然而, 在许多情况下, 这些影响被认为是不可取的。花了近四十年的时间, 蔡氏的形式化连接到一个物理设备和研究人员开始开发的方法, 利用记忆的效果。惠普实验室的一个团队成功地在 2008年3中制造了一个记忆设备, 这点燃了对元素的巨大兴趣。
计算机科学家对阻有浓厚的兴趣, 因为它被誉为第一个将处理和记忆能力结合在一个单元中的元素。它还显示类似于某些神经过程的行为, 如钉定时相关的可塑性 (STDP)4, 只命名一个。这种行为引起了构建类似大脑的计算技术的观点, 从而放弃了内存和中央处理器 (或 CPU)5之间的区别。与流行的开发器的方法不同 (例如, 使用2), 我们的目标是开发一个有机生物阻。此外, 我们感兴趣的是, 这个组件如何能够提供方法, 探索超越传统方法的工程计算设备的范例;例如, 在计算机音乐领域的创造性应用程序6。
Memristance 是研究人员最近在一系列生物系统中发现的一种效应。例如, 在芦荟植株7和人体皮肤8中观察到了记忆的特性, 但有两种。这些发现表明, 在生物基质上实现加工和存储设备是可能的。利用技术中的有机系统可以让我们探索诸如自组装、自我修复、低环境影响和电站等激动人心的概念。然而, 在我们可以调查这些机会之前, 需要解决几个挑战。许多具有记忆特性的生物系统有很大的限制, 限制了它们作为实际电子元件的生存能力。例如, 芦荟叶7需要光照, 寿命有限, 很难集成到电路中。此外, 还有一些其他的在体内记忆现象, 如人类汗液管道8, 目前在实验室和日常电子系统之外的开发系统中是行不通的。然而, 在所有的记忆现象中, 有一个潜在的候选者: P. 多头。
疟原虫的P. 多头是一个无定形的单细胞系统, 已被发现充当记忆组件9,10。这个有机体是一个理想的候选的研究混合硬件-湿电子出于多种原因。首先, 有机体是致病, 宏观, 并且不需要专家设备用途, 使疟原虫容易接近对工程师和 non-biologists。其次, 细胞是无定形的, 形成线状静脉网络, 并将在大多数基底上生长 (图 1)。这些特性使得细胞的形态学很容易被描述为符合传统的电气方案。还有研究表明, 疟原虫可以活四年以上的11, 它的静脉可以作为自修复传导通路12。几项实验室研究证实了生物体的记忆能力9,10,13现在时机成熟, 探索其潜能。
使用P的想法。多头器是相对较新的。因此, 没有确定的标准来测量和观察其电学特性。在相同的研究组和组之间的实验过程中缺乏一致性, 可能是因为发布的结果9,10之间存在不一致的原因。这种变异在样品生长条件和处理中很可能是最突出的。因此, 我们需要建立方法来生产和测试P. 多头器, 其中可能导致错误的因素得到更好的控制和监控。 此外, 我们需要创建实现P. 多头器的方法, 使其能够稳定且易于集成到电气系统中。
本文所提出的方法提供了一种将生物体作为元件并入电气原理图中的多头的器的实际应用的探索平台。这些技术很可能会吸引那些希望探索湿系统的真实世界使用的工程师。此外, 非 (例如, 开源电子原型爱好者) 可以对非常规计算的某些方面感兴趣, 但发现很难找到适合自己的原型。需要.一些潜在的应用可能包括实施利用器扣球行为的概率模型, 开发执行有状态 l 的方法逻辑操作, 并建模神经过程的信息存储和处理。
Protocol
1. 使用打印机接口将打印床温度设置为85和 #176, 制作3D 打印插座
- 腔、盖和底座
- , 用高冲击聚苯乙烯 (臀部) 加载3D 打印机; C挤出机到 230 #176;当温度达到时, 松开惰臂, 插入灯丝, 并向下推直到它开始挤出热端。然后, 固长丝惰臂, 取出挤出材料.
- 将3D 插座 STL 模型文件导入到3D 打印切片软件中, 通常可以通过导航到 "文件" 选项卡并选择导入/打开选项 ( 图 2 ) 来实现.
- 如果切片软件提供高和低质量的打印设置, 请选择 "高质量", 同时确保选择了正确的材料配置文件.
注意: 如果在一次运行中打印多个插座, 请确保该软件已设置为每次打印一个对象。如果跳过此步骤, 则可能会降低打印质量, 这可能会在将部件装配在一起时导致公差问题. - 打印完成后, 等待打印床温度低于50和 #176; C 移除部件.
- 使用细丝刷, 轻轻地清除任何不完美的电极插座, 当配有电极时, 可能会造成障碍物.
- 更换清洁灯丝的臀部灯丝, 并通过打印头运行大量的材料.
- 用导电聚乳酸 (PLA) 灯丝来加载打印机, 其体积电阻率为0.75 和 #937;-cm 或更低.
- 将打印床温度设置为60和 #176; c 和挤出机到230和 #176; c (请参见步骤1.1.1 以指导).
- 当温度达到时, 通过打印头挤出几厘米长的灯丝。这一过程将有助于确保删除前几届会议的所有微粒.
- 使用3D 打印切片软件, 加载电极 STL 文件 ( 图 3 ).
- 在打印设置中, 指定以下内容: 图层高度 = 0.16 mm、外壳厚度 = 1.7 mm、底部/顶部厚度 = 0.74 mm、填充密度 = 100% ( 图 4 ).
- 如果在一次运行中打印多个电极, 请设置打印机一次打印一个.
- 一旦打印出来, 将电极放在打印床上, 直到冷却到室温。这可确保部件不变形和畸形.
- 将电极插入两个腔中的每一个。如果步骤1.1.5 已正确完成, 电极应进入商会没有太大的力量.
- 使用锋利的手术刀, 切割10毫米的聚氯乙烯 (PVC) 油管 (4 毫米内径和6毫米外径) 小心, 以确保每一个结束是切直和干净.
- 轻轻地缓解两个电极边缘上的 10 mm PVC 油管的每一端.
- 连接后, 两个腔夹插入底座.
2。容器准备和 P. 多头 接种
- 2% 琼脂培养基制备
- 将2克营养微生物琼脂粉放入250毫升玻璃瓶中.
- 添加100毫升去离子水和混合好.
- 压釜瓶为 12-15 分钟, 在121和 #176; C 或地方在沸水浴为 15-20 min.
- 将琼脂基板设置为容器和 #39; s 室
- 使用水浴或微波炉将琼脂熔化.
- 用熔融琼脂填充2毫升吸管.
- 通过将吸管的笔尖悬停在内部底座的上方大约5毫米, 然后慢慢地将这些井填充到连接管孔的底部, 来填满每个插座和 #39;
- 在填充完井后立即放置一个盖子, 并将容器放在一旁, 直到琼脂设置并达到室温.
- P. 多头 接种
- 在这两个腔中的每个房间中放置一个燕麦片.
- 从一个饥饿的 (大约 12 h) 疟原虫的文化中去除一个2毫升的 pseudopods, 并将其放在两个腔中的一个。为了促进快速生长, 试着从生物体的最活跃的前部取原生质.
Representative Results
为了产生代表性的结果, 我们建立了5样品使用的确切方法如上所述。对于控件, 还使用早期P. 多头阻调查910中描述的方法安排了5示例。在这里, 我们定位两个电极间隔约10毫米的距离在 60 mm 培养皿。每个电极由一个圆 (直径约20毫米) 镀锡铜丝 (16 站在0.2 毫米), 充满了2% 营养去离子琼脂 (〜2毫升)。所有样品都通过延时图像进行监测, 以审查生长时间。在这里, 5 插座样品在接种的 10 h 之内连接了二个电极。其中最快的生长在 2 h 以下, 最长为 10 h, 平均生长时间在所有5样本 7 h 24 min。四的控制样品产生了一个连接原生质管和一个传播的接种电极, 但干燥之前, 它作出了必要的连接。最快的控制样本, 使其连接在19小时内, 而最慢的采取了36小时, 平均增长时间的控制样本26小时15分钟。这些数据表明, 使用所提出的方法器生长时间明显减少。
阻的 i-v 轮廓是其最具定义的特征。因此, 我们对样品进行了 i-v 测量, 以产生具有代表性的结果。在这里, 在160步电压正弦波的每个点上进行瞬时电流测量。每个电压步有一个静态驻留时间2秒. 使用230可编程电压源和617可编程静电计进行电气测量。这些设备被选中, 因为它们有能力在高分辨率下进行电压测量和计量。实验是在室温下在一个未点燃的房间进行的。
图 6显示了从P. 多头器上的测试产生的典型的 i-v 曲线。图 6c和6d显示了来自在 Petri 盘中实现的组件的代表度量的图形。结果表明, 虽然在同一个样本上测量的曲线是相似的, 但迟滞变化与 sample-to-sample。这种变化包括夹点的位置, 正负叶的大小, 以及在正负电压域中测量的对称性。因此, 用培养皿法测量器的 i-v 曲线不是 "理想" 阻的足迹, 因为夹点不在零电压和电流。图 6a和6b显示了来自容器中的器的具有代表性的度量的图形。这些滞后环的夹点位置和叶大小在不同电压范围和 time-steps 的离散样本曲线和 sample-to-sample 曲线上都是相对一致的。因此, 插座 i-v 曲线更让人联想到一个 "理想" 的阻的足迹, 其中捏点总是奇异的, 几乎始终如一地在零电压和电流。然而, 虽然迟滞形态与 sample-to-sample 相似, 但在样品的整体抗性上存在差异。.
在最初的 I-V 测量完成之后, 每个样品每天进行一次测试, 直到它们没有记忆曲线。在4控制样品中, 2 在最初测试的2天内干涸, 其余2则继续记录被挤压的曲线, 再持续2天。容器样品保持了他们的 memristance 至少7天, 与3样品超过那。随着时间的推移, 每个贮器样品的原生质管变得更厚, 整体电阻下降, 一些样品在 x 10-04范围内测量, 10 V 在其早期测试中对 x 10-05运行。
读者通过 Braund14引用该文章, 以得到对所提供的容器进行广泛测试的结果。
图 1:多头的疟原虫的2天文化的照片.请单击此处查看此图的较大版本.
图 2:在将STL 文件加载到切片软件后的一个截图.请单击此处查看此图的较大版本.
图 3: 将电极 STL 文件加载到切片软件后的屏幕截图.请单击此处查看此图的较大版本.
图 4: 用于打印电极 STL 模型的设置配置的截图。
图 5:两张照片描述P. 多头器在一个 Petri 盘中实现 (左), 并使用本文中介绍的方法 (右).请单击此处查看此图的较大版本.
图 6:四 i-v 图是由两个在容器 (a, b) 中生长的器产生的, 两个在培养皿中实现 (c, d)。请单击此处查看此图的较大版本.
图 7:显示容器被用来长出不同长度的管子的照片
/>>图 8: 显示已与腔室断开连接的原生质管的照片.
Discussion
本文提出了一种从 myxomycete P 多头中器生长的方法。生物体生长在3D 的印刷容器内, 旨在克服与实施生物器相关的一些限制。这些限制包括设置时间、样品生长时间和缺乏标准化的 sample-to-sample 生长条件和电观测。
我们的插座是第一次透露, 2015年在印刷宣传材料为半岛艺术当代音乐节 2016 (PACMF) 和各自的网站15。在这里, 我们的技术被用来开发一个混合的硬件 bioware 互动音乐系统, 能够产生音乐伴奏的现场音乐家。在参考14中, 我们报告了对我们的容器进行的广泛测试, 并将结果与以前的方法进行比较9,10。随着这些发展, 另一组研究人员随后探索创造生长环境来研究生物体的 thermistive 属性16, 但这些特性与记忆属性不同。但是, 在实现P. 多头器13、17的控制方法方面, 仅有两个其他尝试。在这些实验中, 油井是由一种凝胶状的生物相容性弹性体材料制成, 称为烷 (), 电极是用各种金属或聚 (34-吩):p oly (苯乙烯磺酸) (PEDOT: PSS) 制造的。虽然这些材料通常用于电子, 微, 和仿生工程, 它们是昂贵的, 需要一些专门知识使用。例如, PEDOT: PSS 需要自旋涂层和掺杂来提高其导电性。因此, 对于那些无法获得专家资源的人来说, 这些技术是遥不可及的。本文所介绍的容器使用的方法和材料易于访问和便宜。此外, 该设计为疟原虫的栖息地提供了一个好客的环境, 这与其他的P. 多头阻原型不同, 在这种情况下, 没有试图在任何时间段内使细胞存活。
到目前为止, 很难用以前的方法对培养皿中的生物体进行持续的 i-v 测量 (图 5, 左侧)。我们的方法显著地改善了这种情况 (图 6)。我们的容器的测试结果表明, 该设计减少了生长时间, 延长寿命, 标准化的成分反应, 并创造了一个受保护的微环境封装的有机体。此外, 该装置还提供了将生物体作为电气方案的组成部分的可行方法。
该方法缓解了与在电气系统中利用P. 多头器相关的一些问题。然而, 需要进一步研究和发展的限制。首先, 如果贮器受到温度的快速变化或长时间的高压, 则冷凝可以聚集在连接管的内表面。后者是由于机体的高电阻导致电能被转化为热能。如果有意义的话, 冷凝可以在连接管的一端的两个电极之间形成低阻通路。通过确保器不超载, 可以有效地管理此限制。其次, 使用所提出的方法产生的器的整体电阻可能不同于 component-to-component。这种现象可能是由于不限制原生质管外径的方法造成的。因此, 用户可能需要将校准过程纳入器的应用中。
由于这种方法, 我们现在可以开始研究在P. 多头中引起记忆观测的生物过程。这类过程很可能具有动态参数, 我们可以利用它来增加元素的使用。我们已经开始进行一些初步实验, 其中细胞外离子浓度改变, 以审查, 如果电压门控离子通道发挥作用的 memristance。
所提供的容器仅用于实现P. 多头器。但是, 这些设备有可能使用超过实现单个组件的用途。例如, 在参考12,18中, 原生质管被作为自和自我修复的生物导线进行了研究。在这两项调查中, 研究人员表示, 根据一项计划, 需要进一步开展工作, 建立原生质管的生长方法。本文提出的贮器提供了一种在两个或可能更多的点之间描述管子的生产方法。图 7显示了两张照片, 说明插座可用于长100毫米以上的健康管。在参考18中, 研究了原生质管的传递函数。这项调查的结果表明, 如果将生物体整合到一个电气系统中, 生长试管所需的琼脂可能会引起问题。这是由于基板的电容。这里提出的容器仍然需要琼脂保持湿度高。然而, 随着插座的设计的小变化, 它是可能创建一个可拆卸的管。一旦生长完成并被夹入一个电气系统, 这种设置可能会使管子与腔室断开。此外, 一旦管的健康开始恶化, 它可以重新连接到新的商会的食物和喘息, 直到它已经修复自己, 可以再次使用。图 8显示了与腔室断开连接的长管的照片。未来的研究需要调查原生质管的电气性能没有琼脂和当长的长度使用所提出的方法。
Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
这项研究是由普利茅斯大学的人文和表演艺术学院资助的。作者想承认化提供他们的导电 PLA 样品。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Conductive PLA filament 2.85mm | Functionalize | FE_1LB_2.85MM | Conductive 3D Printing Filament |
| HIPS Filament 3mm 1KG (black) | NuNus | 104856 | 3D printing filament |
| Cleaning Filament, 3mm, 0.1 kg, Natural | 3D Prima | 3DPCLEAN300 | 3D cleaning filament |
| Lulzbot Taz 5 | Lulzbot | TAZ 5 | 3D printer |
| Agar powder | Sigma-Aldrich | 0504 | Non-nutrient microbiological Agar powder |
| 4mm ID x 6mm OD Clear PVC Tubing Pipe Hose 5 Metres | Amazon | B008NC4JUO | Roll of PVC tubing |
| Physarum polycephalum Plasmodium, Living, Plate | Carolina Biological Supply Company | 156193 | Plasmodium culture. |
| Oat Flakes | Carolina Biological Supply Company | Oak flakes to feed the Plasmoidum | |
| Cura | Lulzbot | Cura LulzBot Edition | https://www.lulzbot.com/cura |
| 230 Programmable Voltage Source | Keithley Instruments | Voltage source instrument. | |
| 617 Programmable Electrometer | Keithley Instruments | Electrometer to measure low currents. |
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