Name: a method for growing bio-memristors from slime mold
Uploaded: 2017-11-02T12:30:00
Duration: 7 min 46 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Method for Growing Bio-memristors from Slime Mold at JoVE.com

מחקר זה מומן על ידי בית הספר למדעי הרוח של אוניברסיטת פלימות ואמנויות הבמה. המחברים רוצה להכיר Functionalize כדי לספק דגימות של ה-PLA מוליך שלהם.

1-ייצור של קיבול מודפס 3D <ol><li>צ'יימברס, העפעפיים, ובסיס <ol><li>טען תלת-ממד מדפסת עם High-השפעה פוליסטירן (ירכיים) באמצעות ממשק המדפסת לקביעת הטמפרטורה מיטה הדפסה 85 ° C ו. המתקן עד 230 מעלות צלזיוס. כאשר הטמפרטורות הן הגיעו, שחרר את הזרוע תמך, הכנס את הסיב ולאחר לדחוף למטה עד שהוא מתחיל הבלטת מהחלק חם. ולאחר מכן יש להמ־ שיך הזרוע תמך פילמנט ולהסיר החומר מעוקם.</li>
		<li>לייבא את הקובץ דגם תלת-ממד קיבול STL הדפסת תלת-ממד עם פרוסות תוכנה, אשר יכולה להיות מושגת בדרך כלל על-ידי ניווט אל הכרטיסיה קובץ ובחירה באפשרויות הייבוא/פתיחה ( איור 2).</li>
		<li>אם חותך התוכנה מציעה גבוה ונמוך איכות הגדרות הדפסה, בחר באיכות גבוהה תוך הקפדה גם על כי הפרופיל גשמי הנכון נבחר. 
		הערה: אם הדפסת מספר כלי קיבול ב. סיבוב אחד, ודא שהתוכנות מוגדרות להדפיס כל אובייקט אחד בכל פעם. אם המערכת תדלג על שלב זה, איכות ההדפסה עלול להיות מופחת, אשר ככל הנראה יגרמו בעיות סובלנות בעת התאמת החלקים יחד.</li>
		<li>לאחר סיום ההדפסה, לחכות עד הטמפרטורה מיטה הדפסה מתחת 50 מעלות כדי להסיר את החלקים.</li>
		<li>בעדינות בעזרת מברשת תיל דק, לנקות את השקע אלקטרודה של פגמים שעלולות לגרום מכשולים בעת התאמת התא עם אלקטרודה.</li>
	</ol></li> <li>אלקטרודות <ol><li>להחליף את הסיב הירכיים עבור נימה ניקוי ורוץ שפע של החומר ראש ההדפסה.</li>
		<li>לטעון את המדפסת עם נימה חומצה (PLA) מוליך חשמלי polylactic שיש resistivity של אמצעי אחסון של Ω 0.75-ס"מ או פחות-</li>
		<li>הטמפרטורה מיטה הדפסה מוגדר 60 ° C ו. המתקן עד 230 מעלות צלזיוס (ראה שלב 1.1.1 להדרכה).</li>
		<li>כאשר הטמפרטורות הן הגיעו, הבלטת כמה סנטימטרים של חוט הלהט דרך ראש ההדפסה. תהליך זה יסייע להבטיח כי כל החלקיקים מהפעלות הקודם יוסרו.</li>
		<li>באמצעות הדפסה 3D עם פרוסות תוכנה, לטעון את הקובץ STL אלקטרודה ( איור 3).</li>
		<li>הגדרות הדפסה, ציין את האפשרויות הבאות: שכבה גובה = 0.16 מ"מ, עובי מעטפת = 1.7 מ"מ, עובי למטה/למעלה = 0.74 מ מ, מילוי צפיפות = 100% ( איור 4).</li>
		<li>אם הדפסת מספר אלקטרודות ב. סיבוב אחד, הגדר את המדפסת כך שתדפיס את אחד בכל פעם.</li>
		<li>פעם מודפס, להשאיר האלקטרודות על מיטה הדפסה עד שהם קיררה. לטמפרטורת החדר. פעולה זו מבטיחה החלק לא להיות מעוותת ולא מעוות.</li>
	</ol></li> <li>קיבול הרכבה <ol><li>חריץ אלקטרודה לתוך כל אחד שני התאים. אם שלב 1.1.5 הושלמה כראוי, האלקטרודות צריכות להכנס הצ'יימברס בלי הרבה כוח.</li>
		<li>באמצעות אזמל חדה, חותכים פיסת 10 מ מ פוליוויניל כלוריד (PVC) אבובים (הקוטר הפנימי של 4 מ מ, 6 מ מ קוטר חיצוני) מטפל על מנת להבטיח כי בכל קצה הוא חתך ישר ובצורה נקיה.</li>
		<li>בעדינות בכל קצה של הצנרת 10 מ מ PVC מעבר שתי אלקטרודות-</li>
		<li>לאחר ההתחברות, שני התאים קליפ לתוך הבסיס.</li>
	</ol></li></ol> 2. קיבול והכנה חיסון polycephalum פ <ol><li>2% אגר הכנה בינונית <ol><li>לשים 2 גר' אבקה אגר מיקרוביולוגית שאינם התזונתי לתוך בקבוק זכוכית 250 מ ל.</li>
		<li>מוסיפים 100 מ של מים יונים ומערבבים היטב.</li>
		<li>אוטוקלב הבקבוק למשך 12-15 דקות-121 מעלות צלזיוס או מקום באמבט מים רותחים במשך 15-20 דק...</li>
	</ol></li> <li>הגדרת מצע אגר לתוך כלי הקיבול בתוספת &#39; s צ'יימברס <ol><li>להמיס את אגר באמצעות תנורים או מיקרוגל.</li>
		<li>למלא פיפטה 2 מ"ל עם אגר מותכת.</li>
		<li>למלא כל אחד הקיבול &#39; צ'יימברס s על-ידי ריחוף של הציפורן של פיפטה כ 5 מ מ מעל הבסיס הפנימי ומילוי לאט הבארות עד לתחתית חיבור צינור חור.</li>
		<li>מיד לאחר מילוי הבארות, במקום מכסה על כל התאים ולהגדיר את כלי הקיבול הצידה עד אגר יש להגדיר והגיע בטמפרטורת החדר.</li>
	</ol></li> <li>Polycephalum פ חיסון <ol><li>מקום של פתית שיבולת שועל בכל אחד מן התאים שני.</li>
		<li>להסיר כתם אחד 2 מ"ל של pseudopods מורעבים (כ 12 h) התרבות של הפלזמודיום ומניחים אותו באחד התאים שני. כדי לקדם צמיחה מהירה, נסה לקחת בפרוטו מן הפעילים ביותר הקדמי של האורגניזם.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol>
	<li>Chua, L. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Memristor-The+Missing+Circuit+Element.">Memristor-The Missing Circuit Element.</a> IEEE Transactions on Circuit Theory. 18 (5), 507-519 (1971).</li><li>Trefzer, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Memristor+in+a+Nutshell.">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.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+missing+memristor+found.">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="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evolution+of+plastic+learning+in+spiking+networks+via+memristive+connections.">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://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brains+are+made+of+memristors.">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="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+Unconventional+Computing+for+Sound+and+Music.">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="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Memristors+in+plants.">Memristors in plants.</a> Plant Signal Behav. 9 (2), 37-41 (2014).</li><li>Grimnes, S., L&#252;tken, C. A., Martinsen, &. #. 2. 1. 6. ;. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Memristive+properties+of+electro-osmosis+in+human+sweat+ducts.">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="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Slime+Mould+Memristors.">Slime Mould Memristors.</a> BioNanoScience. 5 (1), (2014).</li><li>Braund, E., Sparrow, R., Miranda, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physarum-based+memristors+for+computer+music.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+pure+culture+of+Physarum+polycephalum+on+a+partially+defined+soluble+medium.">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="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Physarum+wires:+Self-growing+self-repairing+smart+wires+made+from+slime+mould.">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://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+hybrid+living/organic+electrochemical+transistor+based+on+the+Physarum+polycephalum+cell+endowed+with+both+sensing+and+memristive+properties.">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.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+Building+Practical+Biocomputers+for+Real-world+Applications:+Receptacles+for+Culturing+Slime+Mould+Memristors+and+Component+Standardisation.">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>Walter, X. A., Horsfield, I., Mayne, R., Ieropoulos, I. A., Adamatzky, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+hybrid+circuits+exploiting+thermistive+properties+of+slime+mould.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+bio-inspired+memory+device+based+on+interfacing+Physarum+polycephalum+with+an+organic+semiconductor.">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/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transfer+function+of+protoplasmic+tubes+of+Physarum+polycephalum.">Transfer function of protoplasmic tubes of Physarum polycephalum.</a> Biosystems. 128, 48-51 (2015).</li></ol>

המחברים אין לחשוף.

מאמר זה הציג שיטה לגידול memristors החוצה myxomycete polycephalum פ. האורגניזם הוא גדל בתוך כלי קיבול מודפס 3D שנועדו להתגבר על חלק האילוצים המשויכות המיישמת את הביו-memristors. מגבלות כאלה כוללים זמן הכיוונון זמן צמיחה הדגימה, היעדר סטנדרטיזציה על תנאי הגידול מדגם-כדי-sample ותצפיות חשמל.
כלי הקיבול שלנו נחשף לראשונה בשנת 2015 בחומר פרסומי מודפס על חצי האי אמנות עכשווית מוסיקה פסטיבל 2016 (PACMF) ועל האתר בהתאמה15. הטכנולוגיה שלנו שימש כדי לפתח מערכת היברידית חומרה-bioware המוזיקה אינטראקטיבי זה היה מסוגל לייצר והשבירה מוסיקלי למוסיקאי בשידור חי. אסמכתא14, אנו מדווחים על בדיקה מקיפה של כלי הקיבול שלנו, והשוו את התוצאות נגד גישות הקודם9,10. בעקבות התפתחויות אלה, קבוצה אחרת של חוקרים בחנו ולאחר מכן יצירת סביבות גידול ללמוד מאפיינים של האורגניזם thermistive16, אבל אלה לא זהה memristive מאפיינים. עם זאת, היו שני ניסיונות לפתח גישה מבוקרת להטמעת polycephalum פ memristors13,17אחרים. בניסויים אלה, וולס היו עשויים חומר elastomer מסתיימים דמוי ג'ל הנקרא polydimethylsiloxane (PDMS), ואת אלקטרודות נוצרו באמצעות מתכות שונות או poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS). למרות חומרים אלה משמשים באופן שגרתי אלקטרוניקה מיקרופלואידיקה, הנדסה ביונית, הם יקרים, דרושה מומחיות כלשהי לשימוש. לדוגמה, PEDOT:PSS צריך ספין-ציפוי סימום לשיפור מוליכות שלה. לכן, הטכניקות הן מחוץ להישג ידם של אנשים שאין להם גישה למשאבים מומחה. כלי קיבול שהוצגו במאמר זה להשתמש בשיטות וחומרים שאינם בעלי גישה בקלות ולא יקר. יתר על כן, העיצוב מספק סביבה מסבירי הפלזמודיום לחנות, אשר בניגוד אחרים polycephalum פ ממריסטור אבות-טיפוס איפה לשמור את התא בחיים למשך כל זמן אין ניסיון.
עד עכשיו, זה היה קשה להשיג עקבי אני-V מדידות באמצעות שיטות קודמות culturing האורגניזם על בצלחות פטרי (איור 5, משמאל). השיטות שלנו השתפר בצורה משמעותית תרחיש זה (איור 6). תוצאות בדיקות של כלי הקיבול שלנו הראו כי העיצוב יש ירד זמן צמיחה מוגברת תוחלת החיים, סטנדרטית רכיב תגובות, שנוצרו microenvironment מוגן כדי לתמצת את האורגניזם. יתר על כן, המכשיר מספק האמצעים האפשריים של שילוב האורגניזם כמרכיב של מזימת חשמל.
השיטה הציג מקלה על מספר נושאים הקשורים רתימת polycephalum פ memristors בתוך מערכות חשמל. עם זאת, קיימות מגבלות הדורשות בהמשך מחקר ופיתוח. ראשית, עיבוי באפשרותך לאסוף במשטח הפנימי של הצינור המחבר אם כלי קיבול נמצאים נתון שינוי בטמפרטורה או אם מתח גבוה מוחל על משכי זמן ארוכים. האחרון הוא של האורגניזם עמידות גבוהה גורמת אנרגיה חשמלית שתועבר אל החום. אם משמעותי, עיבוי באפשרותך ליצור שביל עמיד נמוך בין האלקטרודות שני קצותיו של הצינור המחבר. מגבלה זו ניתן לנהל באופן יעיל על-ידי הבטחת memristors לא עמוסים. שנית, ההתנגדות הכוללת של memristors מיוצר בשיטת שהוצגו יכול לנוע בין רכיב-כדי-רכיב. תופעה שכזו עשויה להיות תוצאה של הגישה לא הגבלת הקוטר החיצוני של הצינור פרוטופלסמי. כתוצאה מכך, משתמשים, ייתכן שיהיה עליך לשלב היישום שלהם של memristors תהליך כיול.
הודות מתודולוגיה זו, אנחנו יכולים להתחיל עכשיו ללמוד על תהליכים ביולוגיים שגורמים memristive תצפיות ב polycephalum פ. סביר להניח כי תהליכים כאלה יש פרמטרים דינמיים היינו יכולים לנצל כדי להגדיל את השימוש של הרכיב. התחלנו לרוץ ניסויים ראשוני שבו ריכוז יון חוץ-תאית שונו כדי לבדוק אם תעלות יונים ממותגת מתח לשחק תפקיד memristance...
כלי קיבול הציג נועדו אך ורק לצורך יישום polycephalum פ memristors. התקנים אלה סביר, עם זאת, יש שימושים מעבר לזה של יישום רכיב אחד. לדוגמה, הפניות12,18, הצינור פרוטופלסמי נחקר כמו חוט ביולוגי וההספק עצמית, יכולת לתיקון עצמי. בחקירות אלה שני, החוקרים הביעו המצריך עבודה נוספת הייתה לייסד שיטות גידול הצינורית פרוטופלסמי לפי ערכה. כלי קיבול בנייר זה מספקות שיטה של ממציאים את הייצור של הצינור בין שניים או יותר פוטנציאל, נקודות. איור 7 מציג שתי תמונות הממחישות כלי קיבול, יכול לשמש כדי לגדול בריא צינורות-אורכים יותר מ 100 מ מ. הפניה18, הפונקציה העברה של הצינור פרוטופלסמי נחקר. תוצאות החקירה ציין כי אגר הדרוש כדי לגדל הצינורות עלולים לגרום בעיה אם האורגניזם כדי לשלב מערכת חשמל. זאת בשל קיבוליות של המצע. כלי קיבול המובאת כאן עדיין דורשים אגר כדי לשמור על לחות גבוהה. עם שינויים קטנים בעיצוב של הקיבול, זאת, ניתן ליצור צינור להסרה. זו הגדרת עשוי לאפשר צינור כדי להיות מנותק מן התאים לאחר צמיחה מלאה והצמיד לתוך מערכת חשמל. יתר על כן, ברגע בריאות של הצינור מתחיל להתדרדר, זה יכול להתחבר ללשכה חדשה עבור מזון, הפוגה עד תיקן את עצמו ניתן להשתמש שוב. איור 8 מראה תמונה של צינורות ארוכים אשר נותק מן התאים. למחקר עתידי יש צורך לחקור תכונות חשמליות של הצינור פרוטופלסמי ללא של אגר, כאשר גדל באורכים בשיטת שהוצגו.

המחשבים של היום נבנים באמצעות רכיבי מעגל פסיבי יסוד 2-טרמינל 3: הקבל את resistor, את סליל השראה. אלמנטים פסיביים מסוגלים רק יחלוף או אחסון אנרגיה, לא שמייצר אותו. רכיבים אלה הוקמו על 18th והמאה ה 19 , מקושרים באמצעות משוואות מקסוול. אנו מגדירים כל אחד מרכיבים אלה שלושה מעגלים מבחינת היחסים בין שני המשתנים מעגל 4. כלומר, הזרם (I), מתח (V), תשלום (Q) ו שטף הצמדה (φ). טעינת האינטגרל זמן של הזרם, חוק פאראדיי מגדיר את המתח האינטגרל זמן של השטף. לפיכך, קבל מוגדרת על-ידי קשר בין מתח לבין תשלום, הנגד מוגדרת על-ידי מערכת יחסים בין מתח לבין הנוכחי, סליל השראה הוא מוגדר על ידי קשר בין שטף ועדכניים. במשך יותר ממאה שנה, רכיבים אלה היו אבן יסוד של אלקטרוניקה. עם זאת, הם רק מייצגים שלוש של זוגות ארבעה קשר אפשרי בין המשתנים במעגל, עוזב השטף הצמדה ודמי לא מקושרים. בשנת 1971, ליאון צ'ואה פרסם נייר1 איפה הוא שמהווה שהיה חסר אלמנט הרביעי מקושרים הנותרים שני המשתנים, אותו הוא מכנה את ממריסטור. ממריסטור יכול להיות מתואר הנגד שזוכר את ההיסטוריה שלה, ומכאן להתכווצות 'זיכרון resistor.' פונקציות רכיב זה על ידי שינוי ההתנגדות שלו על פי היקף המתח שהוחלו בעבר ומשך שלה. יתר על כן, ממריסטור שומר את מצב ההתנגדות האחרונה שלו ברגע המתח אינו מוחל. בניגוד קבל, נגד, סליל השראה, ההתנהגות של ממריסטור היא לא לינארית, אשר מתבטא בפרופיל שלה-V שבו נוצרת לולאה היסטרזיס צבט תחת מתח חילופין. הלופ הזה לוקח את הטופס של דמות Lissajous המכיל שני בניצב תנודות של הברית עמידות גבוה ונמוך. לפני תורת memristance פורמאלי של צ'ואה, חוקרים אחרים דיווחו על זיכרון ההתנגדות אפקטים בתדרים מסוימים כאשר ניסויים עם חומרים כגון תחמוצות מתכת, יחד עם פיתוח מכשירי חשמל-מיקרומטר פולימרים גודל2. עם זאת, במקרים רבים, אפקטים אלה נחשבו בלתי רצויות. לקח כמעט ארבעים שנה פורמליזציה של צ'ואה להיות מחובר התקן פיזי ועבור חוקרים להתחיל פיתוח שיטות של ניצול ההשפעות memristive. צוות במעבדות HP הצליח בדיית מכשיר memristive 20083 זה שהצית עניין עצום ברכיב.
מדעני מחשב יש עניין נלהב ממריסטור עקב זה להיות זוכה כרכיב הראשון לשלב יכולות העיבוד והזיכרון של יחידה אחת. הוא גם מציג התנהגויות מקביל תהליכים נוירולוגיים מסוימים כגון תזמון-תלויי-ספייק פלסטיות (STDP)4, רק אחד. התנהגות כזו הם המעוררים פרספקטיבות של בניית טכנולוגיות מחשוב המוח כמו לוותר על ההבחנה בין זיכרון, יחידת העיבוד המרכזית (או CPU)5. בניגוד הגישות פופולרי לפתח memristors (באמצעות TiO2, לדוגמה), שאיפתנו היא לפתח של ביו-ממריסטור אורגני. יתר על כן, אנו מעוניינים איך רכיב זה עשוי לספק אמצעי חקר פרדיגמות מעבר גישות קונבנציונליות התקני מיחשוב הנדסי; למשל, יישומים יצירתיים בתחום של מוסיקה במחשב6.
Memristance הוא אפקט חוקרים מצאו לאחרונה ברחבי מגוון של מערכות ביולוגיות. לדוגמה, מאפייני memristive נצפו הצמחים אלוורה7 ואת העור האנושי8, לצטט, אבל שניים. תגליות אלה מציינים כי ייתכן להסכמות עיבוד והתקני זיכרון על מצעים ביולוגי. רתימת המערכות האורגניות בתוך טכנולוגיה עשויה לאפשר אותנו לחקור רעיונות מרתקים כגון הרכבה עצמית, השפעה סביבתית נמוכה, תיקון עצמי, ומפעילים עצמית. לפני שנוכל לחקור את ההזדמנויות הללו אולם, מספר אתגרים צריך להתייחס. רבים של מערכות ביולוגיות בעלות מאפיינים memristive יש אילוצים משמעותי המגבילות הנביטה שלהם כמו רכיב אלקטרוני בפועל. לדוגמה, עלה אלוורה7 צריך אור יש תוחלת חיים מוגבלת, יהיה קשה להשתלב במעגל. יתר על כן, מספר אחרים ויוו memristive, תופעות כגון זיעה אנושית ducts8, אינם ריאלי כיום אפשרויות לפיתוח מערכות לשימוש מחוץ למעבדה, במערכות אלקטרוניות רגילים. עם זאת, של כל התופעות memristive, יש מועמד פוטנציאלי אחד: polycephalum פ.
הפלזמודיום של polycephalum פ היא מערכת חד־תאיות אמורפי כי התגלתה לפעול כמו רכיב memristive9,10. האורגניזם הוא מועמד אידיאלי לחקר באלקטרוניקה חומרה-המוחית היברידי עבור מספר סיבות. ראשית, האורגניזם פתוגניים שאינם, מאקרוסקופית, ודורש אין טעם ציוד מומחה, ההופכת הפלזמודיום נגיש מהנדסים, ללא-ביולוגים. שנית, התא אמורפי, טפסים רשתות של תיל דמויי ורידים, יגדל על רוב מצעים (איור 1). מאפיינים אלה מאפשרים המורפולוגיה של התא בקלות מאפשרת להחיל ערכת חשמל קונבנציונאלי. יש גם מחקרים מדגימים כי הפלזמודיום יכולים לחיות על פני ארבע שנים11, הורידים שלה יכול לשמש התיקון העצמי מסלולים מוליך12. מספר מחקרים במעבדה אישרו של האורגניזם memristive יכולות9,10,13 , עכשיו הזמן בשלים לחקור את הפוטנציאל שלה.
הרעיון של שימוש P. polycephalum memristors הוא חדש יחסית. כתוצאה מכך, ישנם אין תקנים הוקמה עבור מדידת והתבוננות שלה תכונות חשמליות. כזה חוסר אחידות בהליכים ניסיוני בתוך אותה קבוצת המחקר ובין קבוצות עשוי להיות הסיבה יש חוסר עקביות בין לאור תוצאות9,10. סביר כי וריאציה כזו היא הבולטת ביותר ב דוגמת תנאי הגידול והטיפול. לכן, אנחנו צריכים לייסד שיטות לייצור, בדיקות polycephalum פ memristors בו גורמים אשר עלול לגרום לשגיאות טובים יותר מבוקר תחת פיקוח.  יתר על כן, עלינו ליצור שיטות יישום memristors polycephalum פ המאפשרים השתלבות מערכות חשמל נוחה ויציבה.
השיטה המובאת בעיתון הזה מספק פלטפורמה עבור חקר יישומים מעשיים של polycephalum פ memristors על-ידי מתן אמצעי שילוב האורגניזם כרכיב מפרטים טכניים חשמליים. סביר כי שיטות אלה ימשכו את המהנדסים לחקור את העולם האמיתי שימושים של מערכות חומרה-המוחית היברידית. יתר על כן, הוא נגיש שאינם מומחים (למשל, חובבי שטנץ אלקטרונית פתוח) מי עשוי להיות מעוניין להתנסות עם היבטים של מחשוב לא שגרתיים, אבל קשה למצוא טיפוס להסתגל שלהם הצרכים. כמה יישומים פוטנציאליים עשויים לכלול יישום מודלים הסתברותיים לרתום את memristors עולה התנהגות, פיתוח גישות לביצוע stateful lפעולות ogic, דגמי תהליכים נוירולוגיים לאחסון מידע, עיבוד.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Conductive PLA filament 2.85mm</td>
			<td>Functionalize</td>
			<td>FE_1LB_2.85MM</td>
			<td>Conductive 3D Printing Filament</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HIPS Filament 3mm 1KG (black)</td>
			<td>NuNus</td>
			<td>104856</td>
			<td>3D printing filament</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cleaning Filament, 3mm, 0.1 kg, Natural</td>
			<td>3D Prima</td>
			<td>3DPCLEAN300</td>
			<td>3D cleaning filament</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lulzbot Taz 5</td>
			<td>Lulzbot</td>
			<td>TAZ 5</td>
			<td>3D printer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Agar powder</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>0504</td>
			<td>Non-nutrient microbiological Agar powder</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4mm ID x 6mm OD Clear PVC Tubing Pipe Hose 5 Metres</td>
			<td>Amazon</td>
			<td>B008NC4JUO</td>
			<td>Roll of PVC tubing</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>Oat Flakes</td>
			<td>Carolina Biological Supply Company</td>
			<td></td>
			<td>Oak flakes to feed the 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 Programmable Voltage Source</td>
			<td>Keithley Instruments</td>
			<td></td>
			<td>Voltage source instrument.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>617 Programmable Electrometer</td>
			<td>Keithley Instruments</td>
			<td></td>
			<td>Electrometer to measure low currents.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a method for growing bio-memristors from slime mold

המחקר שלנו מכוונת השגת הבנה טובה יותר של מאפייני האורגניזמים אלקטרונית כדי להנדס מערכות bioelectronic הרומן של ארכיטקטורות מחשוב מבוסס על ביולוגיה. נייר ספציפי זה מתמקד רתימת כייר רפש חד־תאיות Physarum polycephalum לפתח ביו-memristors (או memristors ביולוגי) התקני מחשוב-ביו. ממריסטור הוא הנגד שמחזיק זיכרון. . זה 4 מעגל פסיבי יסוד ביסוד (השני שלושה הם resistor את הקבל, את סליל השראה), אשר הוא סולל את הדרך על עיצוב האתר של סוגים חדשים של מערכות מחשוב; למשל, מחשבים עשוי לוותר על ההבחנה בין אחסון של יחידת העיבוד המרכזית. בעת החלת עם מתח חילופין, הנוכחי לעומת מתח האופייניים ממריסטור היא לולאה היסטרזיס צבט. הוכח כי polycephalum פ מייצרת היסטרזיס צבט לולאות תחת מתח AC ומציגה את התנהגות מסתגלת המקבילה עם תפקוד ממריסטור. מאמר זה מציג את השיטה שפיתחנו עבור יישום ביו-memristors עם polycephalum פ , מציגה את התפתחות קיבול לתרבות האורגניזם, בפריסת שלה בתור מרכיב מעגלים אלקטרוניים. השיטה שלנו הוכיחה כדי לצמצם את זמן צמיחה, להגדיל את תוחלת החיים רכיב לתקנן תצפיות חשמל.

כדי להפיק תוצאות נציג, הקמנו 5 דוגמאות שימוש בשיטת המדויקות שתוארו לעיל. עבור פקד, דגימות 5 היו מסודרים גם באמצעות השיטה המתוארת ב מוקדם polycephalum פ ממריסטור חקירות9,10. כאן, אנחנו בעמדה שתי אלקטרודות במרווחים של מרחק של ~ 10 מ מ בתוך צלחות פטרי 60 מ מ. כל אלקטרודה כללה מעגל (~ 20 מ מ קוטר) של שימורי חוטי נחושת (16 עומד על 0.2 מ מ) מלא של 2% שאינם התזונתי אגר יונים (~ 2 מ"ל). כל הדגימות נוטרו באמצעות הדימויים בצילום מואץ כדי לסקור את זמן צמיחה. כאן, הדגימות קיבול 5 לחבר את שתי אלקטרודות בתוך h 10 של חיסון. המהירה ביותר מאלה הלכה וגדלה מתחת לגיל 2 h, הארוך ביותר היה 10שע, עם הזמן כלומר הגידול הממוצע בכל הדוגמאות 5 של 7 שעות 24 דקות. 4 דגימות הבקרה המיוצרים על קישור צינור פרוטופלסמי ואחד להפיץ את האלקטרודה חיסון אך התייבש לפני זה עשה את החיבור הנדרש. המהירה ביותר של הדגימות שליטה עשה את החיבור שלו בתוך 19 h בזמן האיטית ביותר לקח ה' 36, עם זמן הגידול הממוצע של מדגמים שליטה של 26 שעות 15 דקות. נתונים אלו מראים ירידה משמעותית בזמן צמיחה memristors גדל באמצעות השיטה שהוצגו.
לפרופיל-V של ממריסטור היא התכונה הכי המכונן שלה. ככזה, אנו לבצע מדידות-V הדוגמאות כדי להפיק תוצאות נציג על הנייר הזה. . הנה, נעשו מדידות הנוכחי מיידי בכל נקודה של גל סינוס 160-צעד מתח. כל שלב מתח היה לי זמן להתעכב סטטי של מדידות חשמל ס' 2 נעשו באמצעות מקור מתח 230 לתכנות של אלקטרומטר לתכנות 617. התקנים אלה נבחרו כפי שהם מסוגלים לחיזוי לקיחת המידות ברזולוציות גבוהות של מתח חשמלי. הניסויים נערכו בטמפרטורת החדר בחדר הכבויות.
איור 6 מראה טיפוסי אני-V עקומות המופק בדיקות על polycephalum פ memristors. איור 6 c ו- 6 d להראות חלקות עם המדידות נציג מרכיבי ליישם את צלחות פטרי. תוצאות השימוש בשיטה זו מראים כי למרות עקומות נמדדים על אותה דגימת זרע דומות מורפולוגית, היסטרזיס משתנה בכבדות מדגם-כדי-sample. וריאציה כזו כוללת את המיקום של קמצוץ נקודות את סדר הגודל של האונות חיובי ושלילי, הסימטריה בין מדידות בתחומים מתח שליליים או חיוביים. לפיכך, עקומות-V נמדדים על memristors באמצעות שיטת צלחת פטרי אינם טביעת רגלו של ממריסטור "אידיאלי" מכיוון קמצוץ הנקודות אינן אפס מתח, זרם. איור 6a 6b מראים תרשימים עם נציג מידות memristors גדל את כלי קיבול. מיקומי נקודות קמצוץ והגדלים האונה של לולאות היסטרזיס אלה הם יחסית עקבית הן עקומות דוגמת דיסקרטית נבדק תחת מתח שונה טווחי זמן-שלבים, והן מדגם-כדי-sample עקומות. לכן, קיבול-V עקומות היו יותר המזכיר של טביעת הרגל של ממריסטור 'אידאלי', איפה נקודות קמצוץ תמיד היו יחידי, כמעט בעקביות במתח אפס הנוכחי. עם זאת, למרות היסטרזיס מורפולוגיות דומות לדוגמה-כדי-sample, היתה וריאציה של ההתנגדות הכוללת בין דגימות. .
אחרי המדידות הראשוני אני וולט הושלמה, בדיקות נעשו על כל דגימה פעם ביום עד שהם לא עקומות memristive. של הדגימות שליטה 4, 2 התייבש תוך יומיים של בדיקה ראשונית, בעוד השניים הנותרים המשיך להקליט עקומות צבט 2 ימים נוספים. הדגימות קיבול הקפיד memristance שלהם לפחות 7 ימים, עם 3 דגימות העולה על זה. לאורך זמן, כל אחד הצינורות פרוטופלסמי של המדגם קיבול הפך סמיך, חלה ירידה בההתנגדות הכוללת, עם דגימות מדידה ב A x 10-04 טווח עבור 10 V פועל מול A x 10-05 בבדיקות קודמות שלהם.
הקורא מכונה במאמר מאת Braund14 עבור תוצאות בדיקה מקיפה של הכלי קיבול שהוצגו.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig1.jpg"> 
איור 1: תמונה של תרבות בת 2 של הפלזמודיום של polycephalum פ. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig2.jpg"> 
איור 2: צילום מסך של הקובץ STL קיבול לאחר טעינתה לתוך התוכנה עם פרוסות. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig3.jpg"> 
איור 3: צילום מסך של הקובץ STL אלקטרודה לאחר טעינתה לתוך התוכנה עם פרוסות. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig4.jpg"> 
איור 4: תצלום מסך של תצורת הגדרות להדפסת המודל STL אלקטרודה.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig5.jpg"> 
איור 5: Memristors polycephalum פ מיושמת בצלחת פטרי (משמאל) ושימוש השיטה המובאת בעיתון הזה (מימין) המתארים שני. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig5large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig6.jpg"> 
איור 6: גרפים ארבע-V אשר יוצרו בין שני memristors גדל את כלי קיבול (a, b) ושני מיושם פטרי (c, d). <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56076/56076fig6large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig7.jpg"> 
איור 7: צילומים מראה את הקיבול בשימוש לגדול צינורות באורכים שונים.
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig8.jpg"> / > איור 8: תמונה המציגה פרוטופלסמי צינורות אשר נותק מן התאים.

Watch this Scientific Journal Video about A Method for Growing Bio-memristors from Slime Mold at JoVE.com

A Method for Growing Bio-memristors from Slime Mold

שיטה לגידול ביו-memristors מן העיפוש רפש

מאמר זה מציג שיטה משופרת לגידול ביו-memristors מתוך הפלזמודיום של Physarum polycephalum. השיטה הוכיחה להקטין זמן גדילה, להגדיל את תוחלת החיים של רכיב, לתקנן תצפיות חשמל וליצור סביבה מוגנת שמסוגלת ניתן לשלב המעגלים קונבנציונלי.

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

Research

JoVE Journal

Bioengineering

A Method for Ovarian Follicle Encapsulation and Culture in a Proteolytically Degradable 3 Dimensional System

שיטה Encapsulation השחלות זקיק ותרבות מערכת 3 מתכלה Proteolytically מימדי

The ovarian follicle is the functional unit of the ovary that secretes sex hormones and supports oocyte maturation. In vitro  follicle techniques provide ...

Constant Pressure-controlled Extrusion Method for the Preparation of Nano-sized Lipid Vesicles

שחול קבוע לחץ שבשליטת שיטה להכנת בגודל ננו שלפוחית ​​שומנים

Liposomes are artificially prepared vesicles consisting of natural and synthetic phospholipids that are widely used as a cell membrane mimicking platform ...

Designing a Bio-responsive Robot from DNA Origami

עיצוב רובוט ביו תגובה מ-DNA אוריגמי

Nucleic acids are astonishingly versatile. In addition to their natural role as storage medium for biological information1, they can be utilized in ...

An Improved Method for the Preparation of Type I Collagen From Skin

שיטה משופרת להכנת סוג I קולגן מעור

Soluble type 1 collagen (COL1) is used extensively as an adhesive substrate for cell cultures and as a cellular scaffold for regenerative applications. ...

A Novel Method for Localizing Reporter Fluorescent Beads Near the Cell Culture Surface for Traction Force Microscopy

שיטה חדשה ללוקליזציה חרוזי ניאון כתב סמוך לפני שטח תרבית תאים לגרירה מיקרוסקופית כוח

PA gels have long been used as a platform to study cell traction forces due to ease of fabrication and the ability to tune their elastic properties. When ...

Biomembrane Fabrication by the Solvent-assisted Lipid Bilayer (SALB) Method

Biomembrane Fabrication by the Solvent-assisted Lipid Bilayer SALB Method

ייצור Biomembrane ידי השומנים bilayer (SALB) השיטה בסיוע מרכך

In order to mimic cell membranes, the supported lipid bilayer (SLB) is an attractive platform which enables in vitro investigation of membrane-related ...

A Rapid and Quantitative Fluorimetric Method for Protein-Targeting Small Molecule Drug Screening

מהיר וכמוני Fluorimetric שיטה להקרנת סמים מיקוד-חלבון מולקולה קטנה

We demonstrate a new drug screening method for determining the binding affinity of small drug molecules to a target protein by forming fluorescent gold ...

Tunable Hydrogels from Pulmonary Extracellular Matrix for 3D Cell Culture

הידרוג מתכוונן מ מטריקס ריאתי עבור תרבית תאים 3D

Here we present a method for establishing multiple component cell culture hydrogels for in vitro lung cell culture. Beginning with healthy en bloc lung ...

A Net Mold-based Method of Scaffold-free Three-Dimensional Cardiac Tissue Creation

שיטה המבוססת על עובש נטו הבריאה ברקמת הלב לגרדום ללא תלת מימדי

This protocol describes a novel and easy net mold-based method to create three-dimensional (3-D) cardiac tissues without additional scaffold material. ...

Cell-free Protein Expression Using the Rapidly Growing Bacterium Vibrio natriegens

Cell-free Protein Expression Using the Rapidly Growing Bacterium Vibrio natriegens

תא ללא חלבון ביטוי באמצעות החיידק גדל במהירות ויבריו natriegens

The marine bacterium Vibrio natriegens has garnered considerable attention as an emerging microbial host for biotechnology due to its fast growth rate. A ...