I vissa kretsar, memristorer (från "minnesmotstånd, " som myntades av Leon Chua i ett papper från 1971 som beskriver memristiv teori) är på modet - och av goda skäl:Som kretselement som "minns" mängden ström som har passerat genom dem tidigare och visar stor funktionell flexibilitet, memristorer visar lovande för tillämpningar så olika som konstgjorda synapser, nanoskala minne och sensorer, och så småningom en ny klass av datorer baserade på neuromorf arkitektur.

På samma gång, Materialet som gör memristors (och elektroniska enheter i allmänhet) möjligt är vanligtvis styvt i struktur och burk aldrig arbeta i vatten. Detta innebär att några av de mest lovande användningarna av memristorteknik – som t.ex in vivo sensorer och oceaniska räddningsrobotar – är inte möjliga utan att behöva skyddas från den flytande miljön där de verkar.

Den bästa av alla möjliga elektroniska världar, sedan, skulle ha den jonbaserade funktionaliteten hos memristorer förkroppsligade i ett flexibelt hydrofilt material. Som det visar sig, det – och potentiellt mycket mer – är precis vad forskare vid Institutionen för kemi- och biomolekylär teknik vid North Carolina State University har visat. Prof. Orin Velev, Prof. Michael Dickey, och doktorander Hyung-Jun Koo och Ju-Hee So, har tagit fram en ny klass av lätttillverkade memristorer helt baserade på sk mjuk materia – hydrogeler dopade med polyelektrolyter inklämda med flytande metallelektroder – som arbetar med jonkonduktans i vattenhaltiga system snarare än konventionell elektrontransport.

Dessutom, att kunna arbeta i vatten, den nya gelbaserade mjuka substansen skiljer sig markant från de många mjuk materia elektronik ansträngningar som använder polymera halvledare men inte är vattenkompatibla.

I huvudsak, detta tyder på att förutom att ha potential att realisera memristorbaserade neuromorfa strukturer, polysackaridhydrogelkärnan i dessa enheter är biokompatibel, skulle möjligen kunna kopplas till levande neural och annan vävnad, och kan leda till tredimensionella mjuka kretsar och deras in vivo operationer.

Velevs tidigare arbete fokuserade på gelbaserad solceller, dioder och andra enheter – men deras nackdel var de stela elektroderna som användes som kontakter. För närvarande, dock, forskargruppen studerar en formbar flytande metall. "Vi tänkte ursprungligen på att kombinera metallen med gelerna för att göra en enhet helt av mjuka material som liknar Jell-O, ” skämtar Dickey. ”Det vi upptäckte är att gelmiljön och den oxid som bildas på metallen kan fungera synergistiskt för att bilda minne. När vi väl gjorde denna observation, den största utmaningen var att klargöra den exakta mekanismen – vilket våra ganska briljanta elever kom på med några mycket smarta experiment.”

Mer specifikt, Dickey fortsätter, "Det finns två viktiga forskningsfrågor som vi tog upp för att få tekniken att fungera. Den första var att lära sig att tjockleken på oxidskiktet styr motståndet genom den mjuka enheten – en egenskap vi använder för att definiera på och av tillstånd som motsvarar ledande och resistiva tillstånd, respektive. Den andra var att lära sig att vi kunde införa asymmetri i enheten - ett krav för memristors - genom att dopa gelerna med polymer för att kontrollera den kemiska miljön runt metallen. ”

Går framåt, Dickey fortsätter, "Vi hoppas kunna dra fördel av det faktum att de vattenbaserade gelerna i enheten är biokompatibla, och skulle i princip kunna integreras med biologiska arter, såsom celler, enzymer, proteiner, och vävnader. Vi gjorde heller inga försök att optimera minneskapaciteten i våra prototyper, vilket är ett förbättringsområde. Till sist, vi arbetar för att förstå de subtila aspekterna av operativ mekanism."

Velev betonar att två huvudområden i gruppens framtida mjukvaruforskning är elektrokemiska biosensorer och ställdon av mjukt material . "T.ex. " förklarar han, "gelbaserade ställdon svarar på extern spänning med kontrollerbar biomimetisk rörelse som efterliknar maneternas förflyttning - och som maneter, är vattenbaserade och till och med biologiskt nedbrytbara. Detta kan leda till utvecklingen av gelbaserade mjuk robotik teknologi, som skulle ha vissa paralleller med DARPAs tidigare mjuka robotikprogram, även om denna likhet inte är avsedd så mycket som uppstår från ett delat fokus på futuristiska idéer som bygger på att efterlikna naturen. Jag tror också, " fortsätter han, "att våra forskningsidéer ligger nära några av målen för programmet DARPA Programmable Matter, men vi får inte stöd av eller deltar i detta program – även om vi förhoppningsvis kommer att ansöka i framtiden efter att vi har fått några aktiveringsresultat.”

En av de mest diskuterade memristoregenskaperna är dess synaptiska biomimes. "State-of-the-art datorer har svårt att efterlikna hjärnans funktion, ” Dickey noterar. "Memristors, å andra sidan, är effektiva på att efterlikna synapser. Om du var intresserad av att bara härma hjärnans funktion, då skulle solid-state memristorer vara mer praktiska eftersom de innehåller många fler minneselement och är mycket mer optimerade vid denna tidpunkt. En av de saker som utmärker vårt arbete är att enheten beter sig som en memristor och har andra egenskaper som liknar hjärnan. Konventionell elektronik tenderar att vara stel, 2-D, fuktintolerant, och arbetar med elektroner; hjärnan, i kontrast, är mjuk, 3-D, våt, och arbetar med joner och förutom att använda många av dessa egenskaper, vår enhet är sammansatt av biokompatibla hydrogeler."

Dickey påpekar att även om laget inte har visat någon koppling mellan sina mjukmaterialsanordningar och biologiska arter, och att det är oklart om det ens är möjligt att samverka med hjärnan, deras teknologi ”har många av de uppenbara egenskaperna man skulle leta efter den här typen av gränssnitt – inklusive möjligheten att skala ner till 10-100 mikron i längd. Faktiskt, " erkänner han, "Vi har precis startat ett projekt för att studera gränssnittet mellan dessa material och neuroner, men det är för tidigt att kommentera det."

Velev är också försiktigt optimistisk att även om han inte förutser medicinska tillämpningar av mjukvaruprodukter för tillfället, han håller med om att "hypotetiskt gränssnitt med levande neuroner är möjligt." Den verkliga styrkan i gruppens teknik, han lägger till, är att "både nervvävnad och mjuk materia använder en jonström för att sprida signaler. Inom en snar framtid, ” tillägger Velev, "troliga tillämpningar inkluderar en avancerad biokompatibel matris - för biomolekyler och levande celler, biosensorer, och gränssnitt med andra däggdjursceller än neuroner – nedsänkta i vatten och biologiska vätskor. Även om vi inte arbetar med experiment som involverar levande celler just nu, avslutar han, "Vi hoppas att detta kan vara en framtida utveckling - potentiellt genom nya samarbeten och finansiering."

Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivs eller omdistribueras helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.