[논문 리뷰] Capacitive storage in mycelium substrate

Alexander E. Beasley, Anna L. Powell외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 17.

Plant and Biological Electrophysiology Studies참고 문헌 57인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 흰색버섯(myco)의 균사체가 펀치-프라드 범위의 커패시턴스를 보이며 局소적 전하 저장이 가능하다고 밝혀냈다. 전하 밀도는 원천 전극에서의 거리와 함께 급격히 감소하며, 수분 수준을 유지할 경우 고밀도의 국소적 바이오전자 배열에 활용될 잠재력이 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• Pleurotus ostreatus에 의해 식생된 균사체 기질의 커패시티브 성질을 유기 전자소자 응용을 위해 조사하기 위해.
• 균사체가 커패시티브 응용에서 생분해 가능한 유기 유전체 물질로 기능할 수 있는지 확인하기 위해.
• 전극 간 거리와 수분 함량에 따른 전하 저장의 공간 분포 및 그 의존도를 평가하기 위해.
• 균사체 네트워크가 비전통적 계산 아키텍처의 구성 요소로 사용될 수 있는지 탐색하기 위해.
• 바이오전자 시스템에서 장기적인 功能을 위해 환경 안정성과 안정화 기법을 평가하기 위해.

제안 방법

• 커패시티브 테스트를 위한 습윤한 나무 톱밥을 기반으로 균사체를 배양하였다.
• 다양한 간격(10 mm, 20 mm, 40 mm, 50 mm)으로 식생된 기질에 박막 백금 도금 스테인리스 스틸 바늘 전극을 삽입하였다.
• 벤치 타입 전원 공급장치를 통해 50 V의 일정 전압을 인가하고 디지털 멀티미터(Fluke 8846A)를 사용해 방전 곡선을 측정하였다.
• 주치 PC에서 시리얼 터미널을 통해 자동화된 데이터 수집을 수행하여 전압 감쇠를 시간에 따라 기록하였다.
• 수분 손실이 전하 유지도에 미치는 영향을 분석하기 위해 건조된 샘플의 전압 감쇠를 측정하였다.
• 모의 및 관측된 전장 패턴을 사용하여 전류 밀도와 전기력선 분포를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Pleurotus ostreatus에 의해 식생된 균사체 기질의 측정 가능한 커패시턴스는 얼마인가?
• RQ2 원천 전극에서의 거리가 증가함에 따라 균사체의 전하 밀도는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 수분 함량은 균사체의 커패시티브 거동과 전하 유지도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 균사체는 바이오전자 배열에 적합한 국소적 전하 저장을 지원할 수 있는가?
• RQ5 전기적 기능성과 환경 내성 향상을 위해 어떤 안정화 기법이 균사체의 전자 응용에서 유용한가?

주요 결과

• 식생된 균사체 기질은 수백 피코-프라드의 커패시턴스를 보이며, 비식생된 나무 톱밥보다 현저히 높은 값을 기록하였다.
• 전하 밀도는 원천 전극에서의 거리와 함께 급격히 감소하며, 22분 후 10 mm 떨어진 지점에서 V_max가 1/5 미만, 15 mm 떨어진 지점에서 1/10 미만으로 감소하였다.
• 전류 밀도는 전극 간 가장 짧은 경로에서 가장 높으며, 전기력선은 서로 가까이 배치되어 있고, 거리가 증가함에 따라 감소한다.
• 수분 손실은 측정 가능한 전압의 급격한 감소를 유도하며, 건조된 샘플에서 원천으로부터 5 mm 떨어진 지점에서 22분 동안 약 15 V의 감소가 관측되었다.
• 전극 영역 외부에도 프링잉 전기장 효과가 존재하여, 낮은 전류 흐름에도 불구하고 작은 그러나 측정 가능한 전압이 발생하였다.
• 이전에 슬라임 모드에서 성공한 바탕으로, 건조 조건에서도 기능을 유지하기 위해 폴리아닐린(PANI) 또는 PEDOT-PSS와 같은 도전성 고분자를 사용한 안정화가 권장된다.