Memristorer med et twist:Kvasi-flydende blødt stof varsler biokompatibel elektronik og fleksible robotter

I nogle kredse, memristorer (fra "hukommelsesmodstand, "som opfundet af Leon Chua i et papir fra 1971, der skitserer memristiv teori) er alle rasende - og med god grund:Som kredsløbselementer, der "husker" mængden af ​​strøm, der har passeret gennem dem i fortiden og viser stor funktionel fleksibilitet, memristorer viser lovende applikationer så forskellige som kunstige synapser, hukommelse og sensorer i nanoskala, og til sidst en ny klasse af computere baseret på neuromorfisk arkitektur.

På samme tid, materialerne, der gør memristorer (og elektroniske enheder generelt) mulige, er normalt stive i struktur og kan aldrig operere i vand. Det betyder, at nogle af de mest lovende anvendelser af memristorteknologi – som f.eks in vivo sensorer og oceaniske redningsrobotter – er ikke gennemførlige uden behov for beskyttelse mod det flydende miljø, de opererer i.

Den bedste af alle mulige elektroniske verdener, derefter, ville have den ionbaserede funktionalitet af memristorer, der er inkorporeret i et fleksibelt hydrofilt materiale. Det viser sig, det – og potentielt meget mere – er netop, hvad forskere ved Institut for Kemi- og Biomolekylær Teknik ved North Carolina State University har demonstreret. Prof. Orin Velev, Prof. Michael Dickey, og kandidatstuderende Hyung-Jun Koo og Ju-Hee So, har udtænkt en ny klasse af let fremstillede memristorer udelukkende baseret på såkaldte blødt stof - hydrogeler doteret med polyelektrolytter klemt med flydende metalelektroder - der fungerer ved hjælp af ionkonduktans i vandige systemer frem for konventionel elektrontransport.

I øvrigt, at kunne operere i vand, det nye gelbaserede bløde stof adskiller sig væsentligt fra de mange blødt stof elektronik indsats, der bruger polymerhalvledere, men ikke er vandkompatible.

I det væsentlige, dette tyder på, at ud over at have potentialet til at realisere memristor-baserede neuromorfe strukturer, polysaccharidhydrogelkernen i disse enheder er biokompatibel, kan muligvis forbindes med levende neuralt og andet væv, og kunne føre til tredimensionelle bløde kredsløb og deres in vivo operationer.

Velevs tidligere arbejde fokuserede på gel-baseret solcelle, dioder og andre enheder - men deres ulempe var de stive elektroder, der blev brugt som kontakter. I øjeblikket, imidlertid, forskerholdet studerer et formbart flydende metal. "Vi tænkte oprindeligt på at kombinere metallet med gelerne for at lave en enhed fuldstændigt af bløde materialer, der ligner Jell-O, ” griner Dickey. "Det, vi opdagede, er, at gelmiljøet og oxidet, der dannes på metallet, kan arbejde synergistisk for at danne hukommelse. Da vi gjorde denne observation, Hovedudfordringen var at belyse den nøjagtige mekanisme – hvilket vores ret geniale elever fandt ud af med nogle meget kloge eksperimenter.”

Mere specifikt, Dickey fortsætter, "Der er to centrale forskningsspørgsmål, som vi behandlede for at få teknologien til at fungere. Den første var at lære, at tykkelsen af ​​oxidlaget styrer modstanden gennem den bløde enhed - en egenskab, vi bruger til at definere på og af tilstande, der svarer til ledende og resistive tilstande, henholdsvis. Den anden var at lære, at vi kunne indføre asymmetri i enheden - et krav til memristorer - ved at dope gelerne med polymer for at kontrollere det kemiske miljø omkring metallet."

Fremadrettet, Dickey fortsætter, "Vi håber at drage fordel af det faktum, at de vandbaserede geler i enheden er biokompatible, og kunne i princippet integreres med biologiske arter, såsom celler, enzymer, proteiner, og væv. Vi gjorde heller ikke noget forsøg på at optimere hukommelseskapaciteten i vores prototyper, som er et forbedringsområde. Endelig, vi arbejder på at forstå de subtile aspekter af betjeningsmekanismen."

Velev understreger, at to primære områder af gruppens fremtidige forskning i blødt stof er elektrokemiske biosensorer og aktuatorer af blødt stof . “F.eks. " forklarer han, "gel-baserede aktuatorer reagerer på ekstern spænding med kontrollerbar biomimetisk bevægelse, der efterligner vandmændenes bevægelse - og ligesom vandmænd, er vandbaserede og endda biologisk nedbrydelige. Dette kan føre til udvikling af gel-baseret blød robotik teknologi, som ville have nogle paralleller med DARPAs tidligere Soft Robotics-program, selvom denne lighed ikke er tiltænkt så meget, som opstår fra et fælles fokus på futuristiske ideer, der er baseret på at efterligne naturen. Jeg tror også, ” fortsætter han, "at vores forskningsidéer er tæt på nogle af målene for DARPA Programmable Matter-programmet, men vi er ikke støttet af eller deltager i dette program – selvom vi forhåbentlig vil søge i fremtiden, når vi har nogle aktiveringsresultater.”

En af de mest diskuterede memristorkarakteristika er dens synaptiske biomimese. "State-of-the-art computere har svært ved at efterligne hjernens funktion, ” Dickey noter. "Memristors, på den anden side, er effektive til at efterligne synapser. Hvis du kun var interesseret i at efterligne hjernefunktion, så ville solid-state memristorer være mere praktiske, fordi de indeholder mange flere hukommelseselementer og er meget mere optimeret på dette tidspunkt. En af de ting, der kendetegner vores arbejde, er, at enheden opfører sig som en memristor og har andre egenskaber, der ligner hjernen. Konventionel elektronik har tendens til at være stiv, 2-D, fugt-intolerant, og operere ved hjælp af elektroner; hjernen, i modsætning, er blød, 3-D, våd, og opererer ved hjælp af ioner og ud over at anvende mange af disse egenskaber, vores enhed er sammensat af biokompatible hydrogeler."

Dickey påpeger, at selvom holdet ikke har demonstreret nogen grænseflade mellem deres bløde enheder med biologiske arter, og at det er uklart, om det overhovedet er muligt at interagere med hjernen, deres teknologi "har mange af de åbenlyse egenskaber, man ville kigge efter denne type grænseflade - herunder evnen til at skalere ned til 10-100 mikron i længden. Faktisk, " erkender han, "Vi har lige startet et projekt for at studere grænsefladen mellem disse materialer og neuroner, men det er for tidligt at udtale sig om det.”

Velev er også forsigtigt optimistisk om, at selvom han ikke forudser medicinske anvendelser af bløde stoffer i øjeblikket, han er enig i, at "hypotetisk grænseflade med levende neuroner er mulig." Den virkelige styrke ved gruppens teknologi, tilføjer han, er, at "både neuronalt væv og blødt stof bruger en ionstrøm til at udbrede signaler. I den nærmeste fremtid, ” tilføjer Velev, "sandsynlige anvendelser inkluderer en avanceret biokompatibel matrix - til biomolekyler og levende celler, biosensorer, og grænseflader med andre pattedyrceller end neuroner - nedsænket i vand og biologiske væsker. Selvom vi ikke arbejder på eksperimenter, der involverer levende celler lige nu, " slutter han, "Vi håber på, at dette kan være en fremtidig udvikling - potentielt gennem nye samarbejder og finansiering."

Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omdistribueret helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.