Prototypes Memristor entièrement basés sur des matériaux souples. (a) Une représentation schématique du dispositif memristif. Deux polyélectrolytes piégés dans une matrice d'agarose/H2O dictent les valeurs de pH de chaque couche d'hydrogel. (b) Traces I-V de l'appareil avec des balayages de ±5 V. Les chiffres et les flèches représentent l'ordre et le sens des balayages de biais, respectivement. L'hystérésis des courbes I-V est une caractéristique des memristors. La ligne pointillée indique le biais de lecture de 1 V, où la résistance « mémorisée » est mesurée. La vitesse de balayage est de 0,04 V/s. © 2011 PNAS, doi:10.1002/adma.201101257
Dans certains cercles, memristors (de "résistance mémoire, " comme inventé par Leon Chua dans un article de 1971 décrivant la théorie memristive) font fureur - et pour cause :les memristors sont prometteurs pour des applications aussi diverses que les synapses artificielles, mémoire et capteurs nanométriques, et finalement une nouvelle classe d'ordinateurs basée sur l'architecture neuromorphique.
À la fois, les matériaux qui rendent les memristors (et les appareils électroniques en général) possibles sont généralement de structure rigide et peuvent jamais fonctionner dans l'eau. Cela signifie que certaines des utilisations les plus prometteuses de la technologie memristor, telles que in vivo capteurs et robots de sauvetage océanique - ne sont pas réalisables sans avoir besoin d'une protection contre l'environnement liquide dans lequel ils opèrent.
Le meilleur de tous les mondes électroniques possibles, alors, aurait la fonctionnalité à base d'ions des memristors incorporés dans un matériau hydrophile flexible. Comme il s'avère, c'est précisément ce que des chercheurs du département de génie chimique et biomoléculaire de la North Carolina State University ont démontré. Pr Orin Velev, le professeur Michael Dickey, et les étudiants diplômés Hyung-Jun Koo et Ju-Hee So, ont conçu une nouvelle classe de memristors faciles à fabriquer basée entièrement sur ce qu'on appelle matière molle – des hydrogels dopés avec des polyélectrolytes pris en sandwich avec des électrodes en métal liquide – qui fonctionnent en utilisant la conductance ionique dans les systèmes aqueux plutôt que le transport d'électrons conventionnel.
De plus, en étant capable d'opérer dans l'eau, la nouvelle matière molle à base de gel diffère sensiblement des nombreuses électronique de la matière molle efforts qui utilisent des semi-conducteurs polymères mais ne sont pas compatibles avec l'eau.
En substance, cela suggère qu'en plus d'avoir le potentiel de réaliser des structures neuromorphiques à base de memristors, le noyau d'hydrogel polysaccharidique de ces dispositifs est biocompatible, pourrait éventuellement être interfacé avec des tissus neuronaux et autres vivants, et pourrait conduire à des circuits mous tridimensionnels et à leur in vivo opérations.
Un ensemble de barres transversales de memristors à base de matériaux souples. (a) Photographie d'un prototype d'un circuit intégré à memristor souple avec un réseau crossbar 2 × 2. L'appareil est flexible comme le montre l'image en médaillon et compatible avec l'eau. (b) Schéma du prototype en (a). Les flèches pointent vers les nœuds de gel. (c) Performances de commutation du dispositif de circuit memristor. Le biais de commutation pour éteindre (+5 V) et allumer (-5 V) les nœuds est appliqué au nœud 1-B pour les premier et deuxième cycles et au nœud 2-A pour le troisième cycle, respectivement, comme indiqué par les flèches. Les symboles remplis représentent les nœuds dans l'état « off ». Le biais de commutation a été appliqué à chaque nœud pendant 1 seconde pour minimiser la diaphonie. © 2011 PNAS, doi:10.1002/adma.201101257
Les travaux antérieurs de Velev se sont concentrés sur le photovoltaïque à base de gel, diodes et autres appareils - mais leur inconvénient était les électrodes rigides utilisées comme contacts. Actuellement, cependant, l'équipe de recherche étudie un métal liquide moulable. « À l'origine, nous avons pensé à combiner le métal avec les gels pour créer un appareil entièrement à partir de matériaux souples ressemblant à du Jell-O, », ironise Dickey. « Ce que nous avons découvert, c'est que l'environnement du gel et l'oxyde qui se forme sur le métal peuvent travailler en synergie pour former la mémoire. Une fois cette observation faite, le principal défi était d'élucider le mécanisme exact - que nos étudiants plutôt brillants ont compris avec des expériences très intelligentes.
Plus précisement, Dickey continue, « Il y a deux problèmes de recherche clés que nous avons abordés pour faire fonctionner la technologie. Le premier était d'apprendre que l'épaisseur de la couche d'oxyde contrôle la résistance à travers le dispositif souple - une propriété que nous utilisons pour définir au et désactivé états qui correspondent aux états conducteur et résistif, respectivement. La seconde était d'apprendre que nous pouvions introduire une asymétrie dans le dispositif - une exigence pour les memristors - en dopant les gels avec du polymère pour contrôler l'environnement chimique autour du métal.
Aller de l'avant, Dickey continue, « Nous espérons profiter du fait que les gels à base d'eau de l'appareil sont biocompatibles, et pourrait en principe être intégré à des espèces biologiques, comme les cellules, enzymes, protéines, et tissus. Nous n'avons pas non plus tenté d'optimiser la capacité mémoire de nos prototypes, qui est un domaine à améliorer. Finalement, nous travaillons à comprendre les aspects subtils du mécanisme de fonctionnement.
Velev souligne que deux domaines principaux des futures recherches du groupe sur la matière molle sont biocapteurs électrochimiques et actionneurs de matière molle . « Par exemple, " explique-t-il, « les actionneurs à base de gel répondent à la tension externe avec un mouvement biomimétique contrôlable qui imite la locomotion des méduses - et comme les méduses, sont à base d'eau et même biodégradables. Cela pourrait conduire au développement de gels robotique douce La technologie, qui aurait des parallèles avec le précédent programme Soft Robotics de la DARPA, bien que cette similitude ne soit pas autant voulue qu'elle résulte d'une concentration commune sur des idées futuristes basées sur l'imitation de la nature. Je crois aussi, " poursuit-il, « que nos idées de recherche sont proches de certains des objectifs du programme DARPA Programmable Matter, mais nous ne sommes pas soutenus par ou ne participons pas à ce programme - bien que nous espérons postuler à l'avenir après avoir obtenu des résultats d'actionnement.
L'une des caractéristiques du memristor les plus discutées est sa biomimésis synaptique. « Les ordinateurs de pointe ont du mal à imiter le fonctionnement du cerveau, », note Dickey. « Memristors, d'autre part, sont efficaces pour imiter les synapses. Si vous vouliez seulement imiter les fonctions cérébrales, alors les memristors à semi-conducteurs seraient plus pratiques car ils contiennent beaucoup plus d'éléments de mémoire et sont beaucoup plus optimisés à ce stade. L'une des choses qui distingue notre travail est que l'appareil se comporte comme un memristor et a d'autres propriétés similaires au cerveau. L'électronique conventionnelle a tendance à être rigide, 2-D, intolérant à l'humidité, et fonctionnent à l'aide d'électrons ; le cerveau, en revanche, est doux, 3-D, mouiller, et fonctionne en utilisant des ions et en plus d'adopter plusieurs de ces propriétés, notre appareil est composé d'hydrogels biocompatibles.
Dickey souligne que bien que l'équipe n'ait démontré aucune interface de leurs dispositifs de matière molle avec des espèces biologiques, et qu'il n'est pas clair s'il est même possible de s'interfacer avec le cerveau, leur technologie « possède bon nombre des propriétés évidentes que l'on rechercherait pour ce type d'interface, y compris la capacité de réduire jusqu'à 10-100 microns de longueur. En réalité, " reconnaît-il, « nous venons de démarrer un projet pour étudier l'interface de ces matériaux avec les neurones, mais il est trop tôt pour le commenter.
Velev est également prudemment optimiste que, même s'il ne prévoit pas pour le moment d'applications médicales des dispositifs à matière molle, il convient que « l'interfaçage hypothétique avec des neurones vivants est possible. » La vraie force de la technologie du groupe, il ajoute, est que « le tissu neuronal et la matière molle utilisent tous deux un courant ionique pour propager des signaux. Dans le futur proche, " Velev ajoute, « les applications probables incluent une matrice biocompatible avancée - pour les biomolécules et les cellules vivantes, biocapteurs, et les interfaces avec les cellules de mammifères autres que les neurones – immergées dans l'eau et les fluides biologiques. Bien que nous ne travaillons pas actuellement sur des expériences impliquant des cellules vivantes, " conclut-il, "Nous espérons que cela pourrait être un développement futur - potentiellement grâce à de nouvelles collaborations et financements."
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