Prototipos de memristor basados íntegramente en materiales blandos. (a) Una descripción esquemática del dispositivo memristivo. Dos polielectrolitos atrapados en una matriz de agarosa / H2O dictan los valores de pH de cada capa de hidrogel. (b) Trazos I-V del dispositivo con barridos de ± 5 V. Los números y las flechas representan el orden y la dirección de los barridos de polarización, respectivamente. La histéresis de las curvas I-V es un rasgo característico de los memristores. La línea de puntos indica el sesgo de lectura de 1 V, donde se mide la resistencia "memorizada". La velocidad de barrido es de 0,04 V / s. © 2011 PNAS, doi:10.1002 / adma.201101257
En algunos círculos memristors (de "resistencia de memoria, "como lo acuñó Leon Chua en un artículo de 1971 que describe la teoría memristiva) están de moda, y por una buena razón:como elementos de circuito que" recuerdan "la cantidad de corriente que ha pasado a través de ellos en el pasado y muestran una gran flexibilidad funcional, Los memristores son prometedores para aplicaciones tan diversas como las sinapsis artificiales, sensores y memoria a nanoescala, y eventualmente una nueva clase de computadoras basadas en arquitectura neuromórfica.
Al mismo tiempo, Los materiales que hacen posibles los memristores (y los dispositivos electrónicos en general) suelen tener una estructura rígida y pueden Nunca operar en el agua. Esto significa que algunos de los usos más prometedores de la tecnología memristor, como en vivo sensores y robots de rescate oceánico:no son factibles sin necesidad de protección del entorno líquido en el que operan.
El mejor de todos los mundos electrónicos posibles, luego, tendría la funcionalidad basada en iones de memristores incorporados en un material hidrófilo flexible. Como resulta, eso, y potencialmente mucho más, es precisamente lo que han demostrado los investigadores del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de la Universidad Estatal de Carolina del Norte. Prof. Orin Velev, Prof. Michael Dickey, y los estudiantes de posgrado Hyung-Jun Koo y Ju-Hee So, han ideado una nueva clase de memristores de fácil fabricación basados enteramente en los llamados materia blanda - hidrogeles dopados con polielectrolitos intercalados con electrodos de metal líquido - que funcionan utilizando conductancia iónica en sistemas acuosos en lugar del transporte de electrones convencional.
Es más, en poder operar en el agua, la nueva materia blanda a base de gel difiere significativamente de las muchas electrónica de materia blanda esfuerzos que utilizan semiconductores de polímero pero no son compatibles con el agua.
En esencia, esto sugiere que, además de tener el potencial de realizar estructuras neuromórficas basadas en memristor, el núcleo de hidrogel de polisacárido de estos dispositivos es biocompatible, Posiblemente podría interactuar con tejido neuronal vivo y otros tejidos, y podría conducir a circuitos blandos tridimensionales y su en vivo operaciones.
Una matriz de barras transversales de memristores basados en materiales blandos. (a) Fotografía de un prototipo de un circuito de memristor suave integrado con una matriz de barras transversales de 2 × 2. El dispositivo es flexible como se muestra en la imagen insertada y compatible con el agua. (b) Esquema del prototipo en (a). Las flechas apuntan a los nódulos de gel. (c) Rendimiento de conmutación del dispositivo de circuito de memristor. El sesgo de conmutación para "apagar" (+5 V) y "encender" (-5 V) los nodos se aplica al nodo 1-B para el primer y segundo ciclos y al nodo 2-A para el tercer ciclo, respectivamente, como lo muestran las flechas. Los símbolos rellenos representan los nodos en estado "desactivado". El sesgo de conmutación se aplicó a cada nodo durante 1 segundo para minimizar la diafonía. © 2011 PNAS, doi:10.1002 / adma.201101257
El trabajo anterior de Velev se centró en la energía fotovoltaica basada en gel, diodos y otros dispositivos, pero su desventaja fueron los electrodos rígidos utilizados como contactos. En la actualidad, sin embargo, el equipo de investigación está estudiando un metal líquido moldeable. "Originalmente pensamos en combinar el metal con los geles para hacer un dispositivo completamente de materiales blandos que se parezcan a la gelatina, ”Bromea Dickey. “Lo que descubrimos es que el ambiente de gel y el óxido que se forma en el metal pueden trabajar sinérgicamente para formar memoria. Una vez que hicimos esta observación, el principal desafío fue dilucidar el mecanismo exacto, que nuestros estudiantes bastante brillantes descubrieron con algunos experimentos muy inteligentes ".
Más específicamente, Dickey continúa, “Hay dos temas de investigación clave que abordamos para que la tecnología funcione. El primero fue aprender que el grosor de la capa de óxido controla la resistencia a través del dispositivo blando, una propiedad que usamos para definir sobre y apagado estados que corresponden a estados conductivos y resistivos, respectivamente. El segundo fue aprender que podíamos introducir asimetría en el dispositivo, un requisito para los memristores, al dopar los geles con polímero para controlar el entorno químico alrededor del metal ".
Avanzando, Dickey continúa, “Esperamos aprovechar el hecho de que los geles a base de agua del dispositivo son biocompatibles, y podría, en principio, integrarse con especies biológicas, como las celdas, enzimas proteínas, y tejidos. Tampoco intentamos optimizar la capacidad de memoria en nuestros prototipos, que es un área de mejora. Finalmente, estamos trabajando para comprender los aspectos sutiles del mecanismo operativo ".
Velev enfatiza que dos áreas principales de la futura investigación de materias blandas del grupo son biosensores electroquímicos y actuadores de materia blanda . "Por ejemplo, "Explica, “Los actuadores basados en gel responden al voltaje externo con un movimiento biomimético controlable que imita la locomoción de las medusas, y como las medusas, son a base de agua e incluso biodegradables. Esto podría conducir al desarrollo de robótica suave tecnología, que tendría algunos paralelismos con el programa Soft Robotics anterior de DARPA, aunque esta similitud no se pretende tanto como surge de un enfoque compartido en ideas futuristas que se basan en imitar la naturaleza. También creo, ”Continúa, “Que nuestras ideas de investigación están cerca de algunos de los objetivos del programa de Materia Programable de DARPA, pero no contamos con el apoyo de este programa ni participamos en él, aunque es de esperar que presentemos una solicitud en el futuro después de que tengamos algunos resultados de actuación ".
Una de las características del memristor más discutidas es su biomimesis sináptica. "Las computadoras de última generación tienen dificultades para imitar el funcionamiento del cerebro, ”Dickey anota. "Memistores, por otra parte, son eficaces para imitar las sinapsis. Si solo le interesaba imitar la función cerebral, entonces los memristores de estado sólido serían más prácticos porque contienen muchos más elementos de memoria y están mucho más optimizados en este punto. Una de las cosas que distinguen nuestro trabajo es que el dispositivo se comporta como un memristor y tiene otras propiedades similares al cerebro. La electrónica convencional tiende a ser rígida, 2-D, intolerante a la humedad, y operar usando electrones; el cerebro, a diferencia de, es suave, 3-D, mojado, y opera usando iones y además de adoptar muchas de estas propiedades, nuestro dispositivo está compuesto de hidrogeles biocompatibles ".
Dickey señala que, si bien el equipo no ha demostrado ninguna interfaz de sus dispositivos de materia blanda con especies biológicas, y que no está claro si es posible interactuar con el cerebro, su tecnología “tiene muchas de las propiedades obvias que uno buscaría para este tipo de interfaz, incluida la capacidad de reducir la escala a 10-100 micrones de longitud. De hecho, ”Reconoce, "Acabamos de comenzar un proyecto para estudiar la interfaz de estos materiales con las neuronas, pero es demasiado pronto para comentarlo ".
Velev también es cautelosamente optimista de que, si bien no prevé aplicaciones médicas de los dispositivos de materia blanda en este momento, él está de acuerdo en que "una interfaz hipotética con neuronas vivas es posible". La verdadera fuerza de la tecnología del grupo, él añade, es que “tanto el tejido neuronal como la materia blanda utilizan una corriente iónica para propagar señales. En el futuro cercano, Velev agrega, “Las aplicaciones probables incluyen una matriz biocompatible avanzada - para biomoléculas y células vivas, biosensores, e interactúa con células de mamíferos distintas de las neuronas, sumergidas en agua y fluidos biológicos. Si bien no estamos trabajando en experimentos con células vivas en este momento, ”Concluye, "Tenemos la esperanza de que esto pueda ser un desarrollo futuro, potencialmente a través de nuevas colaboraciones y financiación".
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