In sommige kringen, memristors (van "geheugenweerstand, " zoals bedacht door Leon Chua in een artikel uit 1971 waarin de memristieve theorie wordt geschetst) zijn een rage - en met een goede reden:als circuitelementen die de hoeveelheid stroom die er in het verleden doorheen is gegaan "herinneren" en een grote functionele flexibiliteit vertonen, memristors zijn veelbelovend voor toepassingen zo divers als kunstmatige synapsen, nanoschaal geheugen en sensoren, en uiteindelijk een nieuwe klasse computers op basis van neuromorfe architectuur.

Tegelijkertijd, de materialen die memristors (en elektronische apparaten in het algemeen) mogelijk maken, zijn meestal stijf van structuur en kunnen nooit opereren in het water. Dit betekent dat enkele van de meest veelbelovende toepassingen van memristortechnologie, zoals: in vivo sensoren en reddingsrobots in de oceaan zijn niet haalbaar zonder bescherming tegen de vloeibare omgeving waarin ze werken.

Het beste van alle mogelijke elektronische werelden, dan, zou de op ionen gebaseerde functionaliteit hebben van memristors belichaamd in een flexibel hydrofiel materiaal. Zoals het blijkt, dat - en mogelijk nog veel meer - is precies wat onderzoekers van de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering van de North Carolina State University hebben aangetoond. Prof. Orin Velev, Prof. Michael Dickey, en afgestudeerde studenten Hyung-Jun Koo en Ju-Hee So, hebben een nieuwe klasse van gemakkelijk te fabriceren memristors bedacht die volledig gebaseerd zijn op zogenaamde zachte materie - hydrogels gedoteerd met polyelektrolyten ingeklemd met elektroden van vloeibaar metaal - die werken met behulp van ionengeleiding in waterige systemen in plaats van conventioneel elektronentransport.

Bovendien, in het kunnen werken in water, de nieuwe op gel gebaseerde zachte materie verschilt aanzienlijk van de vele elektronica voor zachte materie inspanningen die polymere halfgeleiders gebruiken, maar niet compatibel zijn met water.

In essentie, dit suggereert dat naast het potentieel om op memristor gebaseerde neuromorfische structuren te realiseren, de polysacharide-hydrogelkern van deze apparaten is biocompatibel, kan mogelijk worden gekoppeld aan levend neuraal en ander weefsel, en kan leiden tot driedimensionale zachte circuits en hun in vivo activiteiten.

Het eerdere werk van Velev was gericht op op gel gebaseerde fotovoltaïsche energie, diodes en andere apparaten - maar hun nadeel waren de stijve elektroden die als contacten werden gebruikt. Momenteel, echter, het onderzoeksteam bestudeert een vormbaar vloeibaar metaal. "We dachten oorspronkelijk aan het combineren van het metaal met de gels om een ​​apparaat te maken dat volledig is gemaakt van zachte materialen die op Jell-O lijken, ’ grapt Dickey. "Wat we ontdekten is dat de gelomgeving en het oxide dat zich op het metaal vormt synergetisch kunnen werken om geheugen te vormen. Toen we deze waarneming eenmaal hadden gedaan, de grootste uitdaging was het ophelderen van het exacte mechanisme – dat onze nogal briljante studenten hebben ontdekt met een aantal zeer slimme experimenten.”

Specifieker, Dicky gaat verder, “Er zijn twee belangrijke onderzoeksproblemen die we hebben aangepakt om de technologie te laten werken. De eerste was om te leren dat de dikte van de oxidelaag de weerstand door het zachte apparaat regelt - een eigenschap die we gebruiken om te definiëren Aan en uit toestanden die overeenkomen met geleidende en resistieve toestanden, respectievelijk. De tweede was dat we leerden dat we asymmetrie in het apparaat konden introduceren - een vereiste voor memristors - door de gels te dopen met polymeer om de chemische omgeving rond het metaal te beheersen."

Vooruit gaan, Dicky vervolgt, "We hopen te profiteren van het feit dat de gels op waterbasis in het apparaat biocompatibel zijn, en zou in principe kunnen worden geïntegreerd met biologische soorten, zoals cellen, enzymen, eiwitten, en weefsels. We hebben ook geen poging gedaan om de geheugencapaciteit in onze prototypes te optimaliseren, wat een verbeterpunt is. Eindelijk, we werken eraan om de subtiele aspecten van het bedieningsmechanisme te begrijpen.”

Velev benadrukt dat twee hoofdgebieden van het toekomstige zachte-materieonderzoek van de groep zijn: elektrochemische biosensoren en zachte materie aandrijvingen . “Bijvoorbeeld, " legt hij uit, "op gel gebaseerde actuatoren reageren op externe spanning met regelbare biomimetische beweging die de voortbeweging van kwallen nabootst - en net als kwallen, zijn op waterbasis en zelfs biologisch afbreekbaar. Dit zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van op gel gebaseerde zachte robotica technologie, die enige parallellen zou hebben met het eerdere Soft Robotics-programma van DARPA, hoewel deze gelijkenis niet zozeer de bedoeling is als komt voort uit een gedeelde focus op futuristische ideeën die gebaseerd zijn op het nabootsen van de natuur. Ik geloof ook, ’ vervolgt hij, "dat onze onderzoeksideeën dicht bij enkele van de doelen van het DARPA Programmable Matter-programma liggen, maar we worden niet ondersteund door of nemen niet deel aan dit programma - hoewel we hopelijk in de toekomst een aanvraag zullen indienen nadat we enkele activeringsresultaten hebben."

Een van de meest besproken kenmerken van memristor is de synaptische biomimese. “State-of-the-art computers hebben moeite om de werking van de hersenen na te bootsen, ' merkt Dickey op. “Memristors, anderzijds, zijn effectief in het nabootsen van synapsen. Als je alleen geïnteresseerd was in het nabootsen van de hersenfunctie, dan zouden solid-state memristors praktischer zijn omdat ze veel meer geheugenelementen bevatten en op dit punt veel meer geoptimaliseerd zijn. Een van de dingen die ons werk onderscheiden, is dat het apparaat zich gedraagt ​​als een memristor en heeft andere eigenschappen die vergelijkbaar zijn met de hersenen. Conventionele elektronica is vaak rigide, 2-D, vochtintolerant, en werken met behulp van elektronen; de hersenen, in tegenstelling tot, is zacht, 3D, nat, en werkt met ionen en naast het aannemen van veel van deze eigenschappen, ons apparaat is samengesteld uit biocompatibele hydrogels.”

Dickey wijst erop dat hoewel het team geen enkele interactie van hun zachte materie-apparaten met biologische soorten heeft aangetoond, en dat het onduidelijk is of het zelfs mogelijk is om met de hersenen te communiceren, hun technologie "heeft veel van de voor de hand liggende eigenschappen die men zou zoeken voor dit type interface - inclusief de mogelijkheid om te verkleinen tot een lengte van 10-100 micron. In feite, " erkent hij, "we zijn net begonnen met een project om de interface van deze materialen met neuronen te bestuderen, maar het is te vroeg om er iets over te zeggen.”

Velev is ook voorzichtig optimistisch dat hoewel hij op dit moment geen medische toepassingen van de zachte materie-apparaten voorziet, hij is het ermee eens dat "hypothetische interfacing met levende neuronen mogelijk is." De echte kracht van de technologie van de groep, hij voegt toe, is dat "zowel neuronaal weefsel als zachte materie een ionenstroom gebruiken om signalen te verspreiden. In de nabije toekomst, Velev voegt toe, “Waarschijnlijke toepassingen zijn onder meer een geavanceerde biocompatibele matrix – voor biomoleculen en levende cellen, biosensoren, en interfaces met andere zoogdiercellen dan neuronen - ondergedompeld in water en biologische vloeistoffen. Hoewel we op dit moment niet werken aan experimenten met levende cellen, ’ besluit hij, "we hebben goede hoop dat dit een toekomstige ontwikkeling kan zijn - mogelijk door nieuwe samenwerkingen en financiering."

Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.