Diese Forschung wurde durch Plymouth University School of Humanities und darstellende Kunst finanziert. Die Autoren möchten Functionalize anerkennen, für die Bereitstellung von Proben von ihren leitenden PLA.

1. Herstellung von 3D gedruckt-Buchse <ol><li>Kammern, Deckel und Unterteil <ol><li>Last ein 3D Drucker mit High-Impact Polystyrol (HIPS) mithilfe der Druckerschnittstelle Druckbett Temperatur auf 85 ° C einstellen und dem Extruder bis 230 ° C. Wenn die Temperaturen erreicht sind, lösen Sie die Spannrolle Arm, legen Sie das Filament und herunterdrücken Sie, bis es anfängt zu extrudieren aus dem heißen Ende. Dann ziehen Sie den Faden idler Arm und entfernen Sie das extrudierte Material.</li>
		<li>Importieren die 3D Aufnahme-STL-Modell-Datei in eine 3D Druck schneiden Software, die normalerweise durch Navigieren auf der Registerkarte "Datei" und wählen Sie importieren/öffnen-Optionen ( Abbildung 2) erreicht werden kann.</li>
		<li>Wenn schneiden Software hohe und niedrige Qualität Druckeinstellungen bietet wählen Sie hohen Qualität zu gewährleisten, dass das richtige Material Profil ausgewählt ist. 
		Hinweis: Wenn mehrere Gefäße in einem Arbeitsgang Drucken ist darauf achten, dass die Software soll jedes Objekt einer gleichzeitig drucken. Wenn dieser Schritt übersprungen wird, die Druckqualität kann reduziert werden, die werden wahrscheinlich Toleranz Probleme verursachen, wenn die Teile zusammen passen.</li>
		<li>Sobald der Druckvorgang abgeschlossen ist, warten Sie, bis die Druckbett Temperatur unter 50 ° C ist es, die Teile zu entfernen.</li>
		<li>Mit einem dünnen Draht Pinsel sanft klar die Elektrode-Buchse der Mängel, die Hindernisse verursachen können, wenn die Kammer mit einer Elektrode passend.</li>
	</ol></li> <li>Elektroden <ol><li>ersetzen die Hüften Filament für eine Reinigung Filament und laufen viel des Materials durch den Druckkopf.</li>
		<li>Legen Sie den Drucker mit einer elektrisch leitfähigen Polymilchsäure Säure (PLA) Filament, das eine Volumen-Widerstand von 0,75 Ω-cm oder weniger hat.</li>
		<li>Stellen die Druckbett Temperatur auf 60 ° C und dem Extruder bis 230 ° C (siehe Schritt 1.1.1 zur Orientierung).</li>
		<li>, Wenn die Temperaturen erreicht sind, Extrudieren einige Zentimeter des Fadens durch den Druckkopf. Dieser Prozess wird sichergestellt, dass alle Partikel aus früheren Sitzungen entfernt werden.</li>
		<li>Mit einer 3D Druck schneiden Software, laden Sie die Elektrode STL Datei ( Abbildung 3).</li>
		<li>In den Druckeinstellungen Folgendes angeben: Layer-Höhe = 0,16 mm, Wandstärke = 1,7 mm, unten/oben Dicke = 0,74 mm, Füllung Dichte = 100 % ( Abbildung 4).</li>
		<li>Wenn Drucken mehrere Elektroden in einem Lauf, stellen Sie den Drucker einzeln nacheinander drucken.</li>
		<li>Lassen, einmal gedruckt, die Elektroden auf das Druckbett bis sie auf Raumtemperatur abgekühlt haben. Dadurch wird sichergestellt, das Teil nicht verzogen und deformierte werden.</li>
	</ol></li> <li>Buchse Montage <ol><li>Schlitz eine Elektrode in jede der beiden Kammern. Wenn Schritt 1.1.5 korrekt abgeschlossen ist, sollten die Elektroden in die Kammern ohne viel Kraft gehen.</li>
		<li>Mit einem scharfen Skalpell schneiden Sie ein Stück 10 mm Polyvinylchlorid (PVC) Schläuche (Innendurchmesser 4 mm und 6 mm Außendurchmesser) kümmert sich um sicherzustellen, dass jedem Ende gerade und sauber geschnitten wird.</li>
		<li>Sanft jedes Ende der 10 mm PVC-Schlauch über den Rand der zwei Elektroden zu erleichtern.</li>
		<li>Einmal angeschlossen, die beiden Kammern clip in der Base.</li>
	</ol></li></ol> 2. Gefäß-Vorbereitung und p. Polycephalum Impfung <ol><li>2 % Agar mittlere Vorbereitung <ol><li>2 g-Nährstoff mikrobiologische Agar Pulver in einen 250-mL-Glasflasche genommen.</li>
		<li>100 mL entionisiertem Wasser hinzufügen und gut verrühren.</li>
		<li>Autoklaven der Flasche für 12-15 min bei 121 ° C oder Platz in einem kochenden Wasserbad für 15-20 min.</li>
	</ol></li> <li>Einstellung der Agar-Substrat in die Urne &#39; s Kammern <ol><li>Agar mit einem Wasserbad oder in der Mikrowelle schmelzen.</li>
		<li>Füllen Sie eine 2-mL-Pipette mit geschmolzenen Agar.</li>
		<li>Das Gefäß zu füllen &#39; s Kammern durch die Spitze der Pipette ca. 5 mm über die interne Basis schweben und langsam füllt die Brunnen bis zum Boden der Verbindung Rohr Loch.</li>
		<li>Sofort nach dem Befüllen der Brunnen, Deckel auf jede der Kammern und das Gefäß beiseite, bis der Agar gesetzt und Raumtemperatur erreicht hat.</li>
	</ol></li> <li>P. Polycephalum Impfung <ol><li>legen eine Hafer-Flocken in jede der beiden Kammern.</li>
		<li>Eine 2 mL-Blob Scheinfüßchen aus einem ausgehungerten entfernen (ca. 12 h) Kultur von Plasmodium und legen Sie sie in einer der beiden Kammern. Um schnelles Wachstum zu fördern, versuchen, das Protoplasma aus den aktivsten anterior des Organismus zu nehmen.</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>

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Dieser Vortrag ist einer Methode für den Anbau von Memristoren aus Myxomycete p. Polycephalum. Der Organismus wird in 3D gedruckte Gefäße angebaut, die konzipiert wurden, um einige Einschränkungen zu überwinden, die mit der Umsetzung der Bio-Memristoren verbunden sind. Solche Beschränkungen sind Rüstzeit, Probe Wachstumszeit und fehlende Standardisierung für Probe zu Probe Wachstumsbedingungen und elektrische Beobachtungen.
Unsere Behälter wurde zuerst im Jahr 2015 in den gedruckten Werbematerial für die Halbinsel Kunst zeitgenössische Musik Festival 2016 (PACMF) und die jeweiligen Website15offenbart. Hier war unsere Technologie verwendet, um interaktive Musik Hybridsystem Hardware-Bioware zu entwickeln, geeignet zur Erzeugung von musikalischen Begleitungen zu einem live-Musiker war. In Referenz14wir berichteten über die umfangreiche Tests von unserer Behälter und verglich die Ergebnisse gegen den früheren Ansätze9,10. Im Anschluss an diese Entwicklungen eine andere Gruppe von Forschern untersucht anschließend schaffen Wachstum Umgebungen um den Organismus Thermistive Eigenschaften16zu studieren, aber diese sind nicht identisch mit Memristive Eigenschaften. Es, jedoch wurden nur zwei andere Versuche zur Entwicklung eines kontrollierten Ansatzes für die Implementierung von p. Polycephalum Memristoren13,17. In diesen Experimenten Brunnen wurden aus einem gelartigen biokompatible Elastomerwerkstoff Polydimethylsiloxan (PDMS) genannt, und Elektroden wurden mit verschiedenen Metallen oder Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate) (Ausbildungsstellen) erstellt. Obwohl diese Materialien in der Elektronik, Mikrofluidik und bionic Engineering routinemäßig verwendet werden, sie sind teuer und erfordern einiges an Fachwissen zu verwenden. Z. B. muss Ausbildungsstellen Spin-Coating und doping seine Leitfähigkeit zu verbessern. Daher sind die Techniken außerhalb der Reichweite für Menschen, die keinen Zugang zu spezialisierten Ressourcen. Die Gefäße, die in diesem Artikel vorgestellten verwenden Sie Methoden und Materialien, die leicht zugänglich und billig sind. Darüber hinaus bietet das Design eine gastfreundliche Umgebung für das Plasmodium, Lebensraum, die im Gegensatz zu den anderen p. Polycephalum Memristor Prototypen wo wurde kein Versuch unternommen ist, die Zelle für jeden beliebigen Zeitraum hinweg lebendig zu halten.
Bisher war es schwierig einheitliche spannungs-Messungen mit bisherigen Methoden zur Kultivierung des Organismus auf Petrischalen (Abbildung 5, links). Unsere Methoden dieses Szenario deutlich verbessert (Abbildung 6). Die Ergebnisse unserer Aufnahme Tests haben gezeigt, dass das Design hat Wachstumszeit verringert, Lebensdauer erhöhte, Komponente Antworten standardisierte und eine geschützte Mikroumgebung erstellt um den Organismus zu Kapseln. Darüber hinaus bietet das Gerät machbar Mittel den Organismus als Komponente eines elektrischen Systems zu integrieren.
Die vorgestellte Methode lindert eine Reihe von Fragen im Zusammenhang mit der Nutzung von p. Polycephalum Memristors in elektrischen Anlagen. Es gibt jedoch Einschränkungen, die weitere Forschung und Entwicklung benötigen. Erstens kann Kondensation auf den Verbindungsschlauch Innenfläche sammeln, wenn die Gefäße eine schnelle Änderung der Temperatur ausgesetzt sind oder wenn eine hohe für lange Laufzeiten Spannung. Letzteres ist aufgrund der hohen Widerstandskraft des Organismus verursachen elektrischen Energie in Wärme übertragen werden. Falls von Bedeutung, kann die Kondensation einen niedrigen resistent Weg zwischen den beiden Elektroden an beiden Enden der Verbindungsschlauch erstellen. Diese Einschränkung kann effektiv verwaltet werden, indem sichergestellt wird, dass die Memristoren nicht überlastet werden. Zweitens kann der Gesamtwiderstand des Memristors hergestellt unter Verwendung der vorgestellten Methode von Komponente zu Komponente variieren. Ein solches Phänomen möglicherweise ein Ergebnis des Ansatzes den Außendurchmesser des protoplasmische Rohres nicht einschränken. Daher müssen Benutzer eine Kalibrierung in ihrer Anwendung die Memristoren zu integrieren.
Dank dieser Methodik können wir jetzt beginnen, die biologischen Prozesse zu studieren, die Memristive Beobachtungen in p. Polycephalumverursachen. Es ist wahrscheinlich, dass solche Prozesse dynamischer Parameter haben, die wir nutzen können um das Element Nutzung zu erweitern. Wir haben begonnen, laufen einige Vorversuchen wo sind extrazelluläre Ionenkonzentrationen geändert, um zu überprüfen, wenn Spannung gated Ionenkanäle in Memristance eine Rolle spielen.
Die vorgestellten Behälter wurden ausschließlich für die Durchführung von p. Polycephalum Memristoren entwickelt. Diese Geräte dürften jedoch verwendet darüber hinaus der Umsetzung einer einzelnen Komponente haben. Beispielsweise wurde in Referenzen12,18, das protoplasmische Rohr als selbstorganisierende und selbstreparierend biologische Draht untersucht. In beiden diesen Untersuchungen geäußert die Forscher, dass weitere Arbeit nötig war, um Methoden der wachsenden protoplasmische Rohres nach einem Schema zu etablieren. Die Gefäße in diesem Papier vorgelegt stellen eine Methode der Abgrenzung der Produktion des Rohres zwischen zwei oder möglicherweise mehr Punkte. Abbildung 7 zeigt zwei Fotografien illustriert, dass die Gefäße verwendet werden, um gesunde Rohre bei Längen wachsen mehr als 100 mm. In Referenz18wurde die Übertragungsfunktion des protoplasmische Rohres untersucht. Ergebnisse aus dieser Untersuchung zeigten, dass der Agar benötigt, um die Rohre wachsen ein Problem verursachen, wenn der Organismus wurde in einer elektrischen Anlage integriert werden. Dies ist auf das Substrat Kapazität. Die hier vorgestellten Behälter erfordern noch Agar, Luftfeuchtigkeit hoch zu halten. Jedoch mit kleinen Änderungen an der Steckdose Design ist es möglich, eine abnehmbare Rohr erstellen. Diese Einrichtung kann für die Röhre aus den Kammern getrennt werden, sobald Wachstum vollständig und in einem elektrischen System abgeschnitten ist. Darüber, sobald das Rohr Gesundheit zu verschlechtern beginnt, könnte es wiederhergestellt werden zu neuen Kammern für Essen und Erholung bis es selbst repariert hat und wieder verwendet werden kann. Abbildung 8 zeigt ein Foto von langen Röhren, die aus den Kammern getrennt wurden. Zukünftige Forschung ist notwendig, um das protoplasmische Rohr elektrischen Eigenschaften ohne die Agar und wenn bei Längen unter Verwendung der vorgestellten Methode gewachsen zu untersuchen.

Heutige Computer werden mit den drei zwei-Terminal grundlegende passive Schaltkreiselemente gebaut: der Kondensator, der Widerstand und die Induktivität. Passive Elemente sind nur in der Lage, zerstreuen oder Speicherung von Energie, nicht generieren. Diese Elemente wurden 18th und19. Jahrhundert gegründet und sind verbunden durch Maxwell Gleichungen. Wir definieren diese drei Schaltungsteile in Bezug auf ihre Beziehung zwischen zwei der vier Schaltung Variablen nämlich Strom (I), Spannung (V), Ladung (Q) und Flux-Gestänge (φ). Die Ladung ist das Zeitintegral des Stromes und Faradaysches Gesetz definiert die Spannung als das Zeitintegral des Flussmittels. So ein Kondensator zeichnet sich durch eine Beziehung zwischen Spannung und Ladung ein Widerstandes zeichnet sich durch eine Beziehung zwischen Spannung und Strom und die Induktivität ist definiert durch eine Beziehung zwischen Fluss und aktuelle. Seit mehr als einem Jahrhundert wurden diese Elemente ein Eckpfeiler der Elektronik. Sie stellen jedoch nur drei der möglichen vier Beziehung-Paare zwischen den Stromkreis Variablen, so dass Flussmittel-Gestänge und kostenfrei aufgehoben. 1971 veröffentlichte Leon Chua ein Papier1 wo er postuliert, dass gab es ein fehlende viertes Element, das die verbleibenden zwei Variablen verknüpft er die Memristor genannt. Der Memristor kann werden beschrieben als Widerstand, die seine Geschichte, daher erinnert die Kontraktion "Speicher Widerstand." Dieses Element funktioniert durch seinen Widerstand entsprechend der Größenordnung der vorher angelegten Spannung sowie deren Dauer zu verändern. Darüber hinaus behält der Memristor seinen letzten Widerstand Zustand, sobald die Spannung nicht mehr angewendet wird. Im Gegensatz zum Kondensator, Widerstand und Induktivität ist der Memristor Verhalten nichtlinear, die ist offensichtlich in seinem-V-Profil, wo eine eingeklemmter Hysteresenschleife unter einer Wechselspannung gebildet. Diese Schleife hat die Form einer Lissajous-Figur mit zwei senkrechten Schwingungen von hohen und niedrigen beständig Staaten. Vor Chuas formalisiertes Memristance Theorie hatten andere Forscher auf Memory-Widerstand-Effekte bei bestimmten Frequenzen berichtet, beim Experimentieren mit Materialien wie Polymere und Metalloxiden, zusammen mit der Entwicklung von elektrischer Geräten bei der Mikrometer Maßstab2. In vielen Fällen wurden diese Effekte jedoch unerwünscht betrachtet. Es dauerte fast vierzig Jahre für Chuas Formalisierung ein physisches Gerät verbunden werden und Forscher beginnen, Entwicklung von Methoden der Nutzung Memristive Effekte. Ein Team an den HP Laboratories gelang es Herstellung ein Memristive Gerät in 20083 , die großes Interesse an das Element gezündet.
Informatiker haben ein großes Interesse an der Memristor aufgrund seiner Gutschrift als erstes Element, Verarbeitung und Speicher Fähigkeiten in einer Einheit zu verbinden. Es zeigt auch Verhaltensweisen, die analog sind, bestimmte neurologische Prozesse wie Spike-Timing-abhängigen Plastizität (STDP)4, um nur eine zu nennen. Solche Verhaltensweisen sind was zu Perspektiven für den Bau von Gehirn-wie-computing-Technologien, die die Unterscheidung zwischen Speicher und zentrale Recheneinheit (CPU)5verzichten. Im Gegensatz zu der beliebten Ansätzen zur Entwicklung von Memristoren (TiO2, z. B. mit) ist unser Ziel, eine organische Bio-Memristor zu entwickeln. Darüber hinaus sind wir interessiert, wie diese Komponente erkunden Paradigmen über konventionelle Ansätze für technische Geräte zur Verfügung zu stellen kann; z.B., kreative Anwendungen im Bereich der Computer-Musik-6.
Memristance ist ein Effekt, den Forscher kürzlich in einer Reihe von biologischen Systemen gefunden haben. Beispielsweise wurden in Aloe Vera Pflanzen7 und menschliche Haut8, zitieren nur zwei Memristive Eigenschaften beobachtet. Diese Entdeckungen zeigen, dass es möglich eventuell, Verarbeitung und Speicher-Geräte auf biologische Substrate zu implementieren. Nutzung von biologischen Systemen in Technologie können uns spannende Konzepte zu erkunden wie Selbstorganisation, Selbstreparatur, geringe Umweltbelastung und selbst einschalten. Bevor wir jedoch diese Möglichkeiten untersuchen können, müssen einige Herausforderungen angegangen werden. Viele biologische Systeme, die Memristive Eigenschaften haben erhebliche Einschränkungen, die ihre Existenz als eine tatsächliche elektronische Komponente zu begrenzen. Zum Beispiel ein Aloe Vera Blatt7 braucht Licht, hat eine begrenzte Lebensdauer und wäre schwierig, in einer Schaltung zu integrieren. Darüber hinaus sind wie menschlichen Schweiß8Kanäle mehrere andere in Vivo Memristive Phänomene, nicht derzeit Machbaren Möglichkeiten zur Entwicklung von Systemen für den Einsatz außerhalb des Labors und in täglichen elektronischen Systemen. Aller Memristive Phänomene, ist jedoch ein potenzieller Kandidat: p. Polycephalum.
Das Plasmodium von p. Polycephalum ist ein amorphes einzelligen System, die entdeckt wurden, als eine Memristive Komponente9,10handeln. Dieser Organismus ist ein idealer Kandidat für die Forschung in der Hybrid-Hardware-Wetware Elektronik für eine Reihe von Gründen. Erstens der Organismus ist nicht-pathogene, makroskopischen und erfordert keine spezialisierte Ausrüstung verwenden, die das Plasmodium für Ingenieure und nicht-Biologen zugänglich macht. Zweitens die Zelle ist amorph, bildet Netzwerke von Draht-wie Adern und wächst auf den meisten Substraten (Abbildung 1). Diese Eigenschaften erlauben die Zellmorphologie leicht abgegrenzt werden, um eine herkömmliche elektrische Schema entsprechen. Es gibt auch Untersuchungen, die zeigen, dass das Plasmodium für mehr als vier Jahre11Leben kann, und dass seine Adern als selbstreparierenden leitfähige Bahnen12dienen können. Mehrere Untersuchungen im Labor bestätigten den Organismus Memristive Fähigkeiten9,10,13 , und jetzt ist die Zeit reif, sein Potenzial zu erforschen.
Die Idee der Verwendung von P. Polycephalum Memristoren ist relativ neu. Infolgedessen gibt es keine etablierte Standards zur Messung und Beobachtung ihrer elektrischen Eigenschaften. Diese mangelnde Einheitlichkeit in experimentellen Verfahren innerhalb der gleichen Forschergruppe und zwischen Gruppen möglicherweise, dass der Grund, es Ungereimtheiten unter gibt, Ergebnisse9,10veröffentlicht. Es ist wahrscheinlich, dass solche Variation prominenteste Beispiel Wachstumsbedingungen und Handhabung ist. So müssen wir Verfahren zur Herstellung und Prüfung p. Polycephalum Memristoren Faktoren, die möglicherweise zu Fehlern führen besser sind gesteuert und überwacht.  Darüber hinaus müssen wir zum Erstellen von Methoden für die Umsetzung von p. Polycephalum Memristors, die eine stabile und einfache Integration in elektrischen Anlagen ermöglichen.
In diesem Whitepaper vorgestellte Methode bietet eine Plattform für Erforschung von praktischen Anwendungen von p. Polycephalum Memristoren indem Sie Mittel der Einbeziehung des Organismus als Komponente in einen Schaltplan. Es ist wahrscheinlich, dass diese Techniken für Ingenieure, die reale Nutzung der Hardware-Wetware Hybridsysteme erkunden ansprechen werden. Darüber hinaus ist es für nicht-Experten (z.B. elektronische Prototyping OpenSource-Enthusiasten) zugänglich, die möglicherweise Interesse am Experimentieren mit Aspekten des unkonventionellen computing aber fand es schwierig zu Prototypen zur Anpassung an ihre braucht. Einige Anwendungsmöglichkeiten umfassen Umsetzung probabilistische Modelle Nutzbarmachung der Memristoren Spick Verhalten, Lösungsansätze zur Durchführung statusbehaftete lOgic Operationen und neurologische Prozesse für die Informationsspeicherung Modellierung und Verarbeitung.

<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

Unsere Forschung zielt auf ein besseres Verständnis der elektronischen Eigenschaften von Organismen zu gewinnen, um neuartige bioelektronische Systeme und IT-Architekturen basierend auf Biologie Ingenieur. Spezifischen Beitrag konzentriert sich auf die Nutzbarmachung der einzelligen Slime Mold Physarum Polycephalum , Bio-Memristors (oder biologische Memristoren) zu entwickeln und Bio-computing Geräte. Der Memristor ist ein Widerstand, der Speicher besitzt. Es ist das 4. grundlegende passive Schaltungselement (die anderen drei sind der Widerstand, Kondensator und Induktivität), das ebnet den Weg für den Entwurf neuartiger IKT-Systeme; z. B.Computer, die die Unterscheidung zwischen Speicher und einer zentralen Recheneinheit verzichten könnte. Wenn mit einer Wechselspannung angewendet wird, ist die aktuelle vs. Spannungs-Kennlinie der ein Memristor ein eingeklemmter Hysteresenschleife. Es hat sich gezeigt, dass p. Polycephalum eingeklemmter Hystereseschleifen unter Wechselspannungen produziert und adaptives Verhalten, das vergleichbar ist mit der Funktionsweise von ein Memristor zeigt. Dieser Beitrag stellt die Methode, die wir entwickelt für die Umsetzung der Bio-Memristoren mit p. Polycephalum und stellt die Entwicklung der ein Gefäß zur Kultur des Organismus, die seinen Einsatz als elektronische Schaltung Komponente erleichtert. Unsere Methode hat sich als Wachstumszeit zu verringern, erhöhen die Lebensdauer der Komponente und Standardisierung von elektrischen Beobachtungen.

Um repräsentative Ergebnisse zu erzielen, haben wir 5 Proben mit der genauen Methode beschriebenen eingerichtet. Für ein Steuerelement wurden 5 Proben arrangiert mit der Methode in den frühen p. Polycephalum Memristor Untersuchungen9,10beschrieben. Hier haben wir zwei Elektroden in einem Abstand von ca. 10 mm in Petrischalen 60 mm Abstand positioniert. Jede Elektrode bestand aus einem Kreis (~ 20 mm im Durchmesser) verzinnter Kupferdraht (16 steht bei 0,2 mm) mit einer 2 %-Nährstoff deionisiertes Agar (~ 2 mL) gefüllt. Alle Proben wurden per Zeitraffer Bilder Rezensent Wachstumszeit überwacht. Hier verknüpft 5 Behälter Proben die beiden Elektroden innerhalb 10 h nach Impfung. Die schnellsten wuchs in unter 2 h, und die längste war 10 h mit der mittlere durchschnittliche Wachstumszeit über alle 5 Proben von 7 h 24 min. Vier der Kontrollproben produziert eine Verlinkung protoplasmische Röhre und einer aus der Impfung Elektrode propagiert aber ausgetrocknet, bevor es die gewünschte Verbindung gemacht. Der schnellste der Kontrollproben machte seine Verbindung innerhalb von 19 h während der langsamste 36 h, mit einer durchschnittliche Wachstumszeit über Kontrollproben von 26 h 15 min nahm. Diese Daten zeigen eine signifikante Abnahme der Wachstumszeit für Memristoren gewachsen mit der vorgestellten Methode.
Das Profil-V ein Memristor ist seine prägendste Merkmal. Als solche haben wir an den Proben zu repräsentativen Ergebnissen für dieses Papier spannungs-Messungen durchgeführt. Hier wurden augenblickliche Strommessungen an jedem Punkt eine 160-Schrittspannung Sinuswelle. Jede Spannung Schritt hatte eine statische Verweilzeit von 2 S. elektrische Messungen wurden mit einer 230 programmierbare Spannungsquelle und einem 617 programmierbare Elektrometer. Diese Geräte wurden ausgewählt, da sie in der Lage, Beschaffung von Spannung und Maßnehmen bei hohen Auflösungen sind. Bei Raumtemperatur in einem unbeleuchteten Raum wurden Experimente durchgeführt.
Abbildung 6 zeigt typische spannungs-Kurven aus Tests auf p. Polycephalum Memristors hergestellt. Abbildung 6 c und 6D zeigen Grundstücke mit der repräsentativen Messungen von Komponenten in den Petrischalen umgesetzt. Ergebnisse mit dieser Methode zeigen, dass obwohl Kurven gemessen an derselben Probe morphologisch ähneln, Hysterese von Probe zu Probe stark variiert. Diese Variante beinhaltet die Lage von Engstellen, die Größenordnung der positiven und negativen Lappen und die Symmetrie zwischen den Messungen in den Bereichen negative und positive Spannung. -Spannungs-Kurven auf Memristoren der Petrischale Methode gemessen sind daher nicht den Fußabdruck eines "idealen" Memristor, weil Engstellen nicht bei Null Spannung und Strom sind. Abbildung 6a und 6 b zeigen Grafiken mit repräsentativen Messungen von Memristoren gewachsen in den Behältern. Die Prise Punktpositionen und Lappen Größen der diese Hystereseschleifen sind relativ konsistent sowohl in diskrete Probe Kurven unter verschiedenen Spannungsbereiche und Zeitschritte getestet "und" Probe zu Probe Kurven. Gefäß-Spannungs-Kurven waren deshalb erinnert an eine "ideale" Memristor Fußabdruck, wo Engstellen immer einzigartige waren und fast durchweg bei Null Spannung und aktuell. Jedoch obwohl Hysterese Morphologien ähnliche Probe zu Probe waren, fielen Gesamtwiderstand zwischen Proben. .
Nachdem die anfängliche spannungs-Messungen abgeschlossen wurden, erfolgten auf jede Probe einmal täglich, bis sie keine Memristive-Kurven dargestellt. Von den 4 Kontrollproben 2 ausgetrocknet innerhalb von 2 Tagen nach der Erstprüfung, während die restlichen 2 weiterhin eingeklemmte Kurven für weitere 2 Tage aufzeichnen. Die Gefäß-Proben ihre Memristance für mindestens 7 Tage mit 3 Proben übersteigt, gepflegt. Im Laufe der Zeit jeder von der Steckdose protoplasmische Probenröhrchen wurde dicker, und gab es ein Rückgang der Gesamtwiderstand, mit einigen Proben messen in der A x 10-04 Bereich für 10 V läuft gegen A x 10-05 in ihren früheren Tests.
Der Leser wird der Artikel durch Braund14 für die Ergebnisse auf die umfangreichen Tests der vorgestellten Anschlussbuchse bezeichnet.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig1.jpg"> 
Abbildung 1: Ein Foto von einer 2 Tage alte Kultur von Plasmodium von p. Polycephalum. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56076/56076fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig2.jpg"> 
Abbildung 2: Einen Screenshot von der Gefäß-STL-Datei, nachdem es in der Schneid-Software geladen ist. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56076/56076fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig3.jpg"> 
Abbildung 3: ein Screenshot von der Elektrode-STL-Datei, nachdem es in der Schneid-Software geladen ist. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56076/56076fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig4.jpg"> 
Abbildung 4: Ein Screenshot der Einstellungen-Konfiguration für den Druck der Elektrode-STL-Modell.
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig5.jpg"> 
Abbildung 5: Zwei Fotografien von p. Polycephalum Memristoren umgesetzt in einer Petrischale (links) und unter Verwendung der Methode, die in diesem Dokument (rechts) vorgestellte. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56076/56076fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig6.jpg"> 
Abbildung 6: Vier-V-Diagramme, die aus zwei Memristoren gewachsen in den Behältern (a, b) und zwei umgesetzt in Petrischalen (C, d) produziert wurden. <a href="//ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/56076/56076fig6large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig7.jpg"> 
Abbildung 7: Fotos, auf denen das Gefäß wird verwendet, um Rohre in verschiedenen Längen wachsen.
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56076/56076fig8.jpg"> / > Abbildung 8: ein Foto zeigt protoplasmische Röhren, die aus den Kammern getrennt wurden.

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

Eine Methode für den Anbau von Bio-Memristoren von Slime Mold

Dieses Papier stellt eine verbesserte Methode für den Anbau von Bio-Memristoren aus das Plasmodium von Physarum Polycephalum. Diese Methode erweist sich als Wachstumszeit zu verringern, erhöhen die Lebensdauer der Komponente, elektrische Beobachtungen zu standardisieren und schaffen eine geschützte Umgebung, die in konventionellen Schaltung integriert werden kann.

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

a-method-for-growing-bio-memristors-from-slime-mold

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Bioengineering

8.9K Aufrufe.  Plymouth University. Dieses Papier stellt eine verbesserte Methode für den Anbau von Bio-Memristoren aus das Plasmodium von Physarum Polycephalum. Diese Methode erweist sich als Wachstumszeit zu verringern, erhöhen die Lebensdauer der Komponente, elektrische Beobachtungen zu standardisieren und schaffen eine geschützte Umgebung, die in konventionellen Schaltung integriert werden kann.

Serie: A Method for Growing Bio-memristors from Slime Mold

Design and Use of a Low Cost, Automated Morbidostat for Adaptive Evolution of Bacteria Under Antibiotic Drug Selection

We describe a low cost, configurable morbidostat for characterizing the evolutionary pathway of antibiotic resistance. The morbidostat is a bacterial culture device that continuously monitors bacterial growth and dynamically adjusts the drug concentration to constantly challenge the bacteria as they evolve to acquire drug resistance. The device features a working volume of ~10 ml and is fully automated and equipped with optical density measurement and micro-pumps for medium and drug delivery. To validate the platform, we measured the stepwise acquisition of trimethoprim resistance in Escherichia coli MG 1655, and integrated the device with a multiplexed microfluidic platform to investigate cell morphology and antibiotic susceptibility. The approach can be up-scaled to laboratory studies of antibiotic drug resistance, and is extendible to adaptive evolution for strain improvements in metabolic engineering and other bacterial culture experiments.

We describe a low cost, configurable morbidostat that enables the characterization of antibiotic drug resistance by dynamically adjusting the drug concentration. The device can be integrated with a multiplexed microfluidic platform. The approach can be scaled up for laboratory antibiotic drug resistance studies.

Design und die Verwendung eines Low Cost, Automatisierte Morbidostat für Adaptive Evolution der Bakterien unter Antibiotikums Selection

We describe a low cost, configurable morbidostat for characterizing the evolutionary pathway of antibiotic resistance. The morbidostat is a bacterial ...

Forschung

Genetik

Chemotactic Response of Marine Micro-Organisms to Micro-Scale Nutrient Layers

The degree to which planktonic microbes can exploit microscale resource patches will have considerable implications for oceanic trophodynamics and biogeochemical flux. However, to take advantage of nutrient patches in the ocean, swimming microbes must overcome the influences of physical forces including molecular diffusion and turbulent shear, which will limit the availability of patches and the ability of bacteria to locate them. Until recently, methodological limitations have precluded direct examinations of microbial behaviour within patchy habitats and realistic small-scale flow conditions. Hence, much of our current knowledge regarding microbial behaviour in the ocean has been procured from theoretical predictions. To obtain new information on microbial foraging behaviour in the ocean we have applied soft lithographic fabrication techniques to develop 2 microfluidic devices, which we have used to create (i) microscale nutrient patches with dimensions and diffusive characteristics relevant to oceanic processes and (ii) microscale vortices, with shear rates corresponding to those expected in the ocean. These microfluidic devices have permitted a first direct examination of microbial swimming and chemotactic behaviour within a heterogeneous and dynamic seascape. The combined use of epifluorescence and phase contrast microscopy allow direct examinations of the physical dimensions and diffusive characteristics of nutrient patches, while observing the population-level aggregative response, in addition to the swimming behaviour of individual microbes. These experiments have revealed that some species of phytoplankton, heterotrophic bacteria and phagotrophic protists are adept at locating and exploiting diffusing microscale resource patches within very short time frames. We have also shown that up to moderate shear rates, marine bacteria are able to  fight the flow  and swim through their environment at their own accord. However, beyond a threshold high shear level, bacteria are aligned in the shear flow and are less capable of swimming without disturbance from the flow. Microfluidics represents a novel and inexpensive approach for studying aquatic microbial ecology, and due to its suitability for accurately creating realistic flow fields and substrate gradients at the microscale, is ideally applicable to examinations of microbial behaviour at the smallest scales of interaction.  We therefore suggest that microfluidics represents a valuable tool for obtaining a better understanding of the ecology of microorganisms in the ocean.

The fabrication of microfluidic channels and their implementation in experiments for studying the chemotactic foraging behaviour of marine microbes within a patchy nutrient seascape and the swimming behaviour of bacteria within shear flow are described.

Chemotaktische Reaktion der marinen Mikroorganismen zu Micro-Scale Nutrient Layers

The degree to which planktonic microbes can exploit microscale resource patches will have considerable implications for oceanic trophodynamics and ...

Biologie

Protocol for Biofilm Streamer Formation in a Microfluidic Device with Micro-pillars

Several bacterial species possess the ability to attach to surfaces and colonize them in the form of thin films called biofilms. Biofilms that grow in porous media are relevant to several industrial and environmental processes such as wastewater treatment and CO2 sequestration. We used Pseudomonas fluorescens, a Gram-negative aerobic bacterium, to investigate biofilm formation in a microfluidic device that mimics porous media. The microfluidic device consists of an array of micro-posts, which were fabricated using soft-lithography. Subsequently, biofilm formation in these devices with flow was investigated and we demonstrate the formation of filamentous biofilms known as streamers in our device. The detailed protocols for fabrication and assembly of microfluidic device are provided here along with the bacterial culture protocols. Detailed procedures for experimentation with the microfluidic device are also presented along with representative results.

Protocols for the study of biofilm formation in a microfluidic device that mimics porous media are discussed. The microfluidic device consists of an array of micro-pillars and biofilm formation by Pseudomonas fluorescens in this device is investigated.

Protokoll für Biofilm Streamer Formation in einem Mikrofluidik-Gerät mit Micro-Säulen

Several bacterial species possess the ability to attach to surfaces and colonize them in the form of thin films called biofilms. Biofilms that grow in ...

Biotechnik

Design, Surface Treatment, Cellular Plating, and Culturing of Modular Neuronal Networks Composed of Functionally Inter-connected Circuits

The brain operates through the coordinated activation and the dynamic communication of neuronal assemblies. A major open question is how a vast repertoire of dynamical motifs, which underlie most diverse brain functions, can emerge out of a fixed topological and modular organization of brain circuits. Compared to in vivo studies of neuronal circuits which present intrinsic experimental difficulties, in vitro preparations offer a much larger possibility to manipulate and probe the structural, dynamical and chemical properties of experimental neuronal systems. This work describes an in vitro experimental methodology which allows growing of modular networks composed by spatially distinct, functionally interconnected neuronal assemblies. The protocol allows controlling the two-dimensional (2D) architecture of the neuronal network at different levels of topological complexity.
A desired network patterning can be achieved both on regular cover slips and substrate embedded micro electrode arrays. Micromachined structures are embossed on a silicon wafer and used to create biocompatible polymeric stencils, which incorporate the negative features of the desired network architecture. The stencils are placed on the culturing substrates during the surface coating procedure with a molecular layer for promoting cellular adhesion. After removal of the stencils, neurons are plated and they spontaneously redirected to the coated areas. By decreasing the inter-compartment distance, it is possible to obtain either isolated or interconnected neuronal circuits. To promote cell survival, cells are co-cultured with a supporting neuronal network which is located at the periphery of the culture dish. Electrophysiological and optical recordings of the activity of modular networks obtained respectively by using substrate embedded micro electrode arrays and calcium imaging are presented. While each module shows spontaneous global synchronizations, the occurrence of inter-module synchronization is regulated by the density of connection among the circuits.

This manuscript describes a protocol to grow in vitro modular networks consisting of spatially confined, functionally inter-connected neuronal circuits. A polymeric mask is used to pattern a protein layer to promote cellular adhesion over the culturing substrate. Plated neurons grow on coated areas establishing spontaneous connections and exhibiting electrophysiological activity.

Design, Oberflächenbehandlung, Cellular-Überzug und Kultivierung von Modular Neuronale Netze Bestehend aus Funktionell mit Inter-Schaltungen

The brain operates through the coordinated activation and the dynamic communication of neuronal assemblies. A major open question is how a vast repertoire ...

Neurowissenschaften

Assembly and Characterization of Biomolecular Memristors Consisting of Ion Channel-doped Lipid Membranes

The ability to recreate synaptic functionalities in synthetic circuit elements is essential for neuromorphic computing systems that seek to emulate the cognitive powers of the brain with comparable efficiency and density. To date, silicon-based three-terminal transistors and two-terminal memristors have been widely used in neuromorphic circuits, in large part due to their ability to co-locate information processing and memory. Yet these devices cannot achieve the interconnectivity and complexity of the brain because they are power-hungry, fail to mimic key synaptic functionalities, and suffer from high noise and high switching voltages. To overcome these limitations, we have developed and characterized a biomolecular memristor that mimics the composition, structure, and switching characteristics of biological synapses. Here, we describe the process of assembling and characterizing biomolecular memristors consisting of a 5 nm-thick lipid bilayer formed between lipid-functionalized water droplets in oil and doped with voltage-activated alamethicin peptides. While similar assembly protocols have been used to investigate biophysical properties of droplet-supported lipid membranes and membrane-bound ion channels, this article focuses on key modifications of the droplet interface bilayer method essential for achieving consistent memristor performance. Specifically, we describe the liposome preparation process and the incorporation of alamethicin peptides in lipid bilayer membranes, and the appropriate concentrations of each constituent as well as their impact on the overall response of the memristors. We also detail the characterization process of biomolecular memristors, including measurement and analysis of memristive current-voltage relationships obtained via cyclic voltammetry, as well as short-term plasticity and learning in response to step-wise voltage pulse trains.

Soft, low-power, biomolecular memristors leverage similar composition, structure, and switching mechanisms of bio-synapses. Presented here is a protocol to assemble and characterize biomolecular memristors obtained from insulating lipid bilayers formed between water droplets in oil. The incorporation of voltage-activated alamethicin peptides results in memristive ionic conductance across the membrane.

Montage und Charakterisierung der biomolekularen Memristors bestehend aus Ionenkanal-dotierte Lipidmembranen

The ability to recreate synaptic functionalities in synthetic circuit elements is essential for neuromorphic computing systems that seek to emulate the ...

Generating Controlled, Dynamic Chemical Landscapes to Study Microbial Behavior

We demonstrate a method for the generation of controlled, dynamic chemical pulses&#8213;where localized chemoattractant becomes suddenly available at the microscale&#8213;to create micro-environments for microbial chemotaxis experiments. To create chemical pulses, we developed a system to introduce amino acid sources near-instantaneously by photolysis of caged amino acids within a polydimethylsiloxane (PDMS) microfluidic chamber containing a bacterial suspension. We applied this method to the chemotactic bacterium, Vibrio ordalii, which can actively climb these dynamic chemical gradients while being tracked by video microscopy. Amino acids, rendered biologically inert (&#39;caged&#39;) by chemical modification with a photoremovable protecting group, are uniformly present in the suspension but not available for consumption until their sudden release, which occurs at user-defined points in time and space by means of a near-UV-A focused LED beam. The number of molecules released in the pulse can be determined by a calibration relationship between exposure time and uncaging fraction, where the absorption spectrum after photolysis is characterized by using UV-Vis spectroscopy. A nanoporous polycarbonate (PCTE) membrane can be integrated into the microfluidic device to allow the continuous removal by flow of the uncaged compounds and the spent media. A strong, irreversible bond between the PCTE membrane and the PDMS microfluidic structure is achieved by coating the membrane with a solution of 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) followed by plasma activation of the surfaces to be bonded. A computer-controlled system can generate user-defined sequences of pulses at different locations and with different intensities, so as to create resource landscapes with prescribed spatial and temporal variability. In each chemical landscape, the dynamics of bacterial movement at the individual scale and their accumulation at the population level can be obtained, thereby allowing the quantification of chemotactic performance and its effects on bacterial aggregations in ecologically relevant environments.

A protocol for the generation of dynamic chemical landscapes by photolysis within microfluidic and millifluidic setups is presented. This methodology is suitable to study diverse biological processes, including the motile behavior, nutrient uptake, or adaptation to chemicals of microorganisms, both at the single cell and population level.

Generieren kontrollierter, dynamischer chemischer Landschaften zur Untersuchung des mikrobiellen Verhaltens

We demonstrate a method for the generation of controlled, dynamic chemical pulses&#8213;where localized chemoattractant becomes suddenly available at the ...

Automation of Bio-Atomic Force Microscope Measurements on Hundreds of C. albicans Cells

The method presented in this paper aims to automate Bio-AFM experiments and the recording of force curves. Using this method, it is possible to record forces curves on 1000 cells in 4 hours automatically. To maintain a 4 hour analysis time, the number of force curves per cell is reduced to 9 or 16. The method combines a Jython based program and a strategy for assembling cells on defined patterns. The program, implemented on a commercial Bio-AFM, can center the tip on the first cell of the array and then move, automatically, from cell to cell while recording force curves on each cell. Using this methodology, it is possible to access the biophysical parameters of the cells such as their rigidity, their adhesive properties, etc. With the automation and the large number of cells analyzed, one can access the behavior of the cell population. This is a breakthrough in the Bio-AFM field where data have, so far, been recorded on only a few tens of cells.

Automation of Bio-Atomic Force Microscope Measurements on Hundreds of C. albicans Cells

This protocol aims to automate AFM measurements on hundreds of microbial cells. First, microbes are immobilized into PDMS stamp microstructures and then force spectroscopy measurements are performed automatically on hundreds of immobilized cells.

Automatisierung von Bio-Rasterkraftmikroskop-Messungen an Hunderten von C. albicans-Zellen

The method presented in this paper aims to automate Bio-AFM experiments and the recording of force curves. Using this method, it is possible to record ...

Biomimetic Replication of Root Surface Microstructure using Alteration of Soft Lithography

Biomimetics is the use of chemistry and material sciences to mimic biological systems, specifically biological structures, to better humankind. Recently, biomimetic surfaces mimicking the microstructure of leaf surface, were used to study the effects of leaf microstructure on leaf-environment interactions. However, no such tool exists for roots. We developed a tool allowing the synthetic mimicry of the root surface microstructure into an artificial surface. We relied on the soft lithography method, known for leaf surface microstructure replication, using a two-step process. The first step is the more challenging one as it involves the biological tissue. Here, we used a different polymer and curing strategy, relying on the strong, rigid, polyurethane, cured by UV for the root molding. This allowed us to achieve a reliable negative image of the root surface microstructure including the delicate, challenging features such as root hairs. We then used this negative image as a template to achieve the root surface microstructure replication using both the well-established polydimethyl siloxane (PDMS) as well as a cellulose derivative, ethyl cellulose, which represents a closer mimic of the root and which can also be degraded by cellulase enzymes secreted by microorganisms. This newly formed platform can be used to study the microstructural effects of the surface in root-microorganism interactions in a similar manner to what has previously been shown in leaves. Additionally, the system enables us to track the microorganism&#8217;s locations, relative to surface features, and in the future its activity, in the form of cellulase secretion.

Biomimetics has been previously used as a tool to study leaf-microorganism interactions. However, no such tool exists for roots. Here, we develop a protocol to form synthetic surfaces mimicking root surface microstructure for the study of root-environment interactions.

Biomimetische Replikation der Wurzeloberflächen-Mikrostruktur mit Änderung der weichen Lithographie

Biomimetics is the use of chemistry and material sciences to mimic biological systems, specifically biological structures, to better humankind. Recently, ...

Using Microfluidic Devices to Measure Lifespan and Cellular Phenotypes in Single Budding Yeast Cells

Budding yeast Saccharomyces cerevisiae is an important model organism in aging research. Genetic studies have revealed many genes with conserved effects on the lifespan across species. However, the molecular causes of aging and death remain elusive. To gain a systematic understanding of the molecular mechanisms underlying yeast aging, we need high-throughput methods to measure lifespan and to quantify various cellular and molecular phenotypes in single cells. Previously, we developed microfluidic devices to track budding yeast mother cells throughout their lifespan while flushing away newborn daughter cells. This article presents a method for preparing microfluidic chips and for setting up microfluidic experiments. Multiple channels can be used to simultaneously track cells under different conditions or from different yeast strains. A typical setup can track hundreds of cells per channel and allow for high-resolution microscope imaging throughout the lifespan of the cells. Our method also allows detailed characterization of the lifespan, molecular markers, cell morphology, and the cell cycle dynamics of single cells. In addition, our microfluidic device is able to trap a significant amount of fresh mother cells that can be identified by downstream image analysis, making it possible to measure the lifespan with higher accuracy.

This article presents a protocol optimized for the production of microfluidic chips and the setup of microfluidic experiments to measure the lifespan and cellular phenotypes of single yeast cells.

Mikrofluidik-Geräte mit Measure Lebensdauer und Cellular Phänotypen in Einzel Budding Hefezellen

Budding yeast Saccharomyces cerevisiae is an important model organism in aging research. Genetic studies have revealed many genes with conserved effects ...

Anwendungen des 3D-Drucks für mikroskalige neuronale Zellkulturgeräte

Two-Photon Polymerization 3D-Printing of Micro-scale Neuronal Cell Culture Devices

Neuronal cultures have been a reference experimental model for several decades. However, 3D cell arrangement, spatial constraints on neurite outgrowth, and realistic synaptic connectivity are missing. The latter limits the study of structure and function in the context of compartmentalization and diminishes the significance of cultures in neuroscience. Approximating ex vivo the structured anatomical arrangement of synaptic connectivity is not trivial, despite being key for the emergence of rhythms, synaptic plasticity, and ultimately, brain pathophysiology. Here, two-photon polymerization (2PP) is employed as a 3D printing technique, enabling the rapid fabrication of polymeric cell culture devices using polydimethyl-siloxane (PDMS) at the micrometer scale. Compared to conventional replica molding techniques based on microphotolitography, 2PP micro-scale printing enables rapid and affordable turnaround of prototypes. This protocol illustrates the design and fabrication of PDMS-based microfluidic devices aimed at culturing modular neuronal networks. As a proof-of-principle, a two-chamber device is presented to physically constrain connectivity. Specifically, an asymmetric axonal outgrowth during ex vivo development is favored and allowed to be directed from one chamber to the other. In order to probe the functional consequences of unidirectional synaptic interactions, commercial microelectrode arrays are chosen to monitor the bioelectrical activity of interconnected neuronal modules. Here, methods to 1) fabricate molds with micrometer precision and 2) perform in vitro multisite extracellular recordings in rat cortical neuronal cultures are illustrated. By decreasing costs and future widespread accessibility of 2PP 3D-printing, this method will become more and more relevant across research labs worldwide. Especially in neurotechnology and high-throughput neural data recording, the ease and rapidity of prototyping simplified in vitro models will improve experimental control and theoretical understanding of in vivo large-scale neural systems.

Autor im Rampenlicht: Modulare neuronale Netze zur Analyse von Gehirnfunktionen

3D printing at the micrometer scale enables rapid prototyping of polymeric devices for neuronal cell cultures. As a proof-of-principle, structural connections between neurons were constrained by creating barriers and channels influencing neurite outgrowth, while the functional consequences of such manipulation were observed by extracellular electrophysiology.

Zwei-Photonen-Polymerisation 3D-Druck von neuronalen Zellkulturgeräten im Mikromaßstab

Neuronal cultures have been a reference experimental model for several decades. However, 3D cell arrangement, spatial constraints on neurite outgrowth, ...