Prototipi Memristor interamente basati su materiali morbidi. (a) Una rappresentazione schematica del dispositivo memristivo. Due polielettroliti intrappolati in una matrice di agarosio/H2O dettano i valori di pH di ogni strato di idrogel. (b) Tracce I-V del dispositivo con scansioni ±5 V. I numeri e le frecce rappresentano l'ordine e la direzione degli sweep bias, rispettivamente. L'isteresi delle curve I-V è una caratteristica dei memristori. La linea tratteggiata indica il bias di lettura di 1 V, dove viene misurata la resistenza “memorizzata”. La velocità di scansione è 0,04 V/s. © 2011 PNAS, doi:10.1002/adma.201101257
In alcuni circoli, memristori (da "resistore di memoria, " come coniato da Leon Chua in un articolo del 1971 che delinea la teoria memristiva) sono di gran moda - e per una buona ragione:come elementi di circuito che "ricordano" la quantità di corrente che li ha attraversati in passato e mostrano una grande flessibilità funzionale, i memristori sono promettenti per applicazioni tanto diverse quanto le sinapsi artificiali, memoria e sensori su scala nanometrica, e infine una nuova classe di computer basati sull'architettura neuromorfa.
Allo stesso tempo, i materiali che rendono possibili i memristori (e i dispositivi elettronici in genere) sono generalmente rigidi nella struttura e possono mai operare in acqua. Ciò significa che alcuni degli usi più promettenti della tecnologia dei memristor, come ad esempio in vivo sensori e robot di soccorso oceanico – non sono realizzabili senza bisogno di protezione dall'ambiente liquido in cui operano.
Il migliore di tutti i mondi elettronici possibili, poi, avrebbe la funzionalità ionica dei memristori incorporati in un materiale idrofilo flessibile. Come risulta, questo – e potenzialmente molto di più – è esattamente ciò che hanno dimostrato i ricercatori del Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare della North Carolina State University. Prof. Orin Velev, Prof. Michael Dickey, e gli studenti laureati Hyung-Jun Koo e Ju-Hee So, hanno ideato una nuova classe di memristori facilmente fabbricabili basati interamente sui cosiddetti materia molle – idrogel drogati con polielettroliti racchiusi con elettrodi di metallo liquido – che operano utilizzando la conduttanza ionica in sistemi acquosi piuttosto che il trasporto di elettroni convenzionale.
Inoltre, poter operare in acqua, la nuova materia molle a base di gel si differenzia notevolmente dalle tante elettronica della materia morbida sforzi che utilizzano semiconduttori polimerici ma non sono compatibili con l'acqua.
In sostanza, ciò suggerisce che oltre ad avere il potenziale per realizzare strutture neuromorfe basate su memristori, il nucleo di idrogel polisaccaridico di questi dispositivi è biocompatibile, potrebbe eventualmente essere interfacciato con neurali vivi e altri tessuti, e potrebbe portare a circuiti morbidi tridimensionali e ai loro in vivo operazioni.
Una serie trasversale di memristori a base di materiale morbido. (a) Fotografia di un prototipo di un circuito a memristore morbido integrato con una matrice di barre trasversali 2 × 2. Il dispositivo è flessibile come mostrato nell'immagine nel riquadro e compatibile con l'acqua. (b) Schema del prototipo in (a). Le frecce indicano i nodi del gel. (c) Prestazioni di commutazione del dispositivo del circuito memristore. Il bias di commutazione per spegnere i nodi (+5 V) e accendere (-5 V) i nodi viene applicato al nodo 1-B per il primo e il secondo ciclo e al nodo 2-A per il terzo ciclo, rispettivamente, come mostrato dalle frecce. I simboli pieni rappresentano i nodi nello stato "off". Il bias di commutazione è stato applicato a ciascun nodo per 1 secondo per ridurre al minimo la diafonia. © 2011 PNAS, doi:10.1002/adma.201101257
Il precedente lavoro di Velev si è concentrato sul fotovoltaico a base di gel, diodi e altri dispositivi, ma il loro aspetto negativo erano gli elettrodi rigidi usati come contatti. Attualmente, però, il gruppo di ricerca sta studiando un metallo liquido modellabile. "Inizialmente abbiamo pensato di combinare il metallo con i gel per creare un dispositivo completamente fatto di materiali morbidi simili a Jell-O, ” scherza Dickey. “Quello che abbiamo scoperto è che l'ambiente del gel e l'ossido che si forma sul metallo possono lavorare in sinergia per formare la memoria. Una volta fatta questa osservazione, la sfida principale è stata chiarire l'esatto meccanismo, che i nostri studenti piuttosto brillanti hanno scoperto con alcuni esperimenti molto intelligenti".
Più specificamente, Dickey continua, “Ci sono due questioni chiave di ricerca che abbiamo affrontato per far funzionare la tecnologia. Il primo è stato apprendere che lo spessore dello strato di ossido controlla la resistenza attraverso il dispositivo morbido, una proprietà che usiamo per definire Su e spento stati che corrispondono a stati conduttivi e resistivi, rispettivamente. Il secondo è stato imparare che potevamo introdurre l'asimmetria nel dispositivo, un requisito per i memristori, drogando i gel con polimeri per controllare l'ambiente chimico attorno al metallo".
Andando avanti, Dickey continua, "Speriamo di trarre vantaggio dal fatto che i gel a base d'acqua nel dispositivo sono biocompatibili, e potrebbe in linea di principio essere integrato con specie biologiche, come le cellule, enzimi, proteine, e tessuti. Inoltre, non abbiamo fatto alcun tentativo di ottimizzare la capacità di memoria nei nostri prototipi, che è un'area di miglioramento. Finalmente, stiamo lavorando per comprendere gli aspetti sottili del meccanismo operativo”.
Velev sottolinea che due aree principali della futura ricerca sulla materia soffice del gruppo sono: biosensori elettrochimici e attuatori di materia morbida . “Ad esempio, " spiega, “Gli attuatori a base di gel rispondono alla tensione esterna con un movimento biomimetico controllabile che imita la locomozione delle meduse – e come le meduse, sono a base d'acqua e persino biodegradabili. Questo potrebbe portare allo sviluppo di prodotti a base di gel robotica morbida tecnologia, che avrebbe alcuni paralleli con il precedente programma Soft Robotics della DARPA, anche se questa somiglianza non è intesa tanto quanto nasce da un focus condiviso su idee futuristiche che si basano sull'imitazione della Natura. credo anche io, " continua, “che le nostre idee di ricerca sono vicine ad alcuni degli obiettivi del programma DARPA Programmable Matter, ma non siamo supportati da o partecipiamo a questo programma, anche se speriamo di fare domanda in futuro dopo aver ottenuto alcuni risultati di attuazione".
Una delle caratteristiche dei memristor più discusse è la sua biomimesi sinaptica. "I computer all'avanguardia hanno difficoltà a imitare il funzionamento del cervello, "Note di Dickey. “Memristori, d'altra parte, sono efficaci nell'imitare le sinapsi. Se fossi interessato solo a imitare la funzione cerebrale, quindi i memristori a stato solido sarebbero più pratici perché contengono molti più elementi di memoria e sono molto più ottimizzati a questo punto. Una delle cose che contraddistinguono il nostro lavoro è che il dispositivo si comporta come un memristor e ha altre proprietà simili al cervello. L'elettronica convenzionale tende ad essere rigida, 2-D, intollerante all'umidità, e operare utilizzando gli elettroni; il cervello, in contrasto, è morbido, 3-D, bagnato, e opera utilizzando ioni e oltre ad adottare molte di queste proprietà, il nostro dispositivo è composto da idrogel biocompatibili.”
Dickey sottolinea che mentre il team non ha dimostrato alcuna interfaccia dei propri dispositivi a materia morbida con specie biologiche, e che non è chiaro se sia anche possibile interfacciarsi con il cervello, la loro tecnologia “ha molte delle ovvie proprietà che si cercherebbero per questo tipo di interfaccia, inclusa la capacità di ridimensionarsi fino a 10-100 micron di lunghezza. Infatti, "riconosce, "abbiamo appena avviato un progetto per studiare l'interfaccia di questi materiali con i neuroni, ma è troppo presto per commentarlo”.
Velev è anche cautamente ottimista sul fatto che, sebbene al momento non preveda applicazioni mediche dei dispositivi soft-matter, concorda sul fatto che "un'ipotetica interfaccia con i neuroni viventi è possibile." La vera forza della tecnologia del gruppo, Aggiunge, è che “sia il tessuto neuronale che la materia soffice usano una corrente ionica per propagare i segnali. Nel futuro prossimo, Velev aggiunge, “le probabili applicazioni includono una matrice biocompatibile avanzata – per biomolecole e cellule viventi, biosensori, e si interfaccia con cellule di mammifero diverse dai neuroni – immerse in acqua e fluidi biologici. Anche se al momento non stiamo lavorando su esperimenti che coinvolgono cellule vive, "conclude, "Speriamo che questo possa essere uno sviluppo futuro, potenzialmente attraverso nuove collaborazioni e finanziamenti".
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