[論文レビュー] Capacitive storage in mycelium substrate

Alexander E. Beasley, Anna L. Powell+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2020

Plant and Biological Electrophysiology Studies参考文献 57被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、プランタス・オステラトゥスの菌糸が数百pFの範囲の静電容量を示し、局所的な電荷貯蔵が可能であることが示された。電荷密度は電極からの距離とともに急速に減少し、湿り気を維持することで導電性が安定する限り、高密度で局所的なバイオエレクトロニクスアレイへの応用が可能である可能性を示している。

ABSTRACT

The emerging field of living technologies aims to create new functional hybrid materials in which living systems interface with artificial ones. Combining research into living technologies with emerging developments in computing architecture has enabled the generation of organic electronics from plants and slime mould. Here, we expand on this work by studying capacitive properties of a substrate colonised by mycelium of grey oyster fungi, Pleurotus ostreatus. Capacitors play a fundamental role in traditional analogue and digital electronic systems and have a range of uses including sensing, energy storage and filter circuits. Mycelium has the potential to be used as an organic replacement for traditional capacitor technology. Here, were show that the capacitance of mycelium is in the order of hundreds of pico-Farads. We also demonstrate that the charge density of the mycelium `dielectric' decays rapidly with increasing distance from the source probes. This is important as it indicates that small cells of mycelium could be used as a charge carrier or storage medium, when employed as part of an array with reasonable density.

研究の動機と目的

• プランタス・オステラトゥスに生育した菌糸基質の静電的性質を、有機エレクトロニクス用途において調査すること。
• 菌糸が静電応用において生分解性で有機的な誘電体材料として機能できるかどうかを特定すること。
• 電極間隔および湿り気含有量に依存する電荷貯蔵の空間的分布を評価すること。
• 菌糸ネットワークを、非伝統的なコンピューティングアーキテクチャの構成要素として使用可能かどうかを検討すること。
• バイオエレクトロニクスシステムにおける長期的機能を維持するための環境的安定性と安定化技術を評価すること。

提案手法

• 静電的試験用に湿った木くずを基質として菌糸を培養した。
• 異なる間隔（10 mm、20 mm、40 mm、50 mm）で挿入したイリジウム被膜ステンレス鋼の針電極を、生育した基質に使用した。
• ベンチトップ電源を用いて50 VのDC電圧を印加し、デジタルマルチメーター（Fluke 8846A）を用いて放電曲線を測定した。
• ホストPCからのシリアル端子経由で自動データ収集を行い、時間経過に伴う電圧低下を記録した。
• 乾燥による水分損失が電荷保持に与える影響を、乾燥中のサンプルで電圧低下を測定することでモニタリングした。
• シミュレートされたおよび観測された電場線パターンを用いて、電流密度および電場線分布を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プランタス・オステラトゥスに生育した菌糸基質の測定可能な静電容量はどの程度か？
• RQ2 電荷密度は電極からの距離が増加するにつれてどのように変化するか？
• RQ3 湿り気含有量は菌糸の静電的挙動および電荷保持にどのように影響するか？
• RQ4 菌糸はバイオエレクトロニクスアレイ用途に適した局所的電荷貯蔵を可能にするか？
• RQ5 菌糸の電子的機能および環境的耐性を向上させるための安定化技術は何か？

主な発見

• 菌糸基質は数百pFのオーダーの静電容量を示し、非生育の木くずよりも顕著に高い値を示した。
• 電荷密度は電極からの距離とともに急速に減少し、22分後に10 mm地点で最大電圧（V_max）が1/5以下、15 mm地点で1/10以下に低下した。
• 電流密度は電極間の最短経路に最も高く、電場線が密に配置されているが、距離が増加するにつれて減少した。
• 水分損失により測定可能な電圧が急激に低下し、乾燥中のサンプルで5 mm地点で22分間で約15 Vの低下が観察された。
• 電極領域を超えて端縁電場効果が現れ、低電流でもわずかではあるが測定可能な電圧が観測された。
• スライムモールドの事例に基づき、導電性ポリマー（PANIやPEDOT-PSS）を用いた安定化が、乾燥状態下でも機能を維持する上で推奨される。