[論文レビュー] Transfer Functions of Proteinoid Microspheres

Panagiotis Mougkogiannis, N. Phillips+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2023

Modular Robots and Swarm Intelligence被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、インピーダンス分光法およびニルクワイスト解析を用いて、熱重合されたアミノ酸凝集体であるプロテインイドマイクロスフィアの電気的伝達関数を調査した。プロテインイドマイクロスフィアは周波数依存性の複雑なインピーダンス応答を示し、ニルクワイストプロットにおける明確な半円状のアーチが、可変な電荷移動抵抗および界面キャパシタンスを示しており、非従来型のコンピューティングおよび人工ニューラル系への応用可能性を示唆している。

ABSTRACT

Proteinoids, or thermal proteins, are inorganic entities formed by heating amino acids to their melting point and commencing polymerisation to form polymeric chains. Typically, their diameters range from 10 to 100 micron. Some amino acids incorporated into proteinoid chains are more hydrophobic than others, leading proteinoids to cluster together when they are present in aqueous solutions at specific concentrations, allowing them to grow into microspheres. The peculiar structure of proteinoids composed of linked amino acids endows them with unique properties, including action-potential like spiking of electrical potential. These unique properties make ensembles of proteinoid microspheres a promising substrate for designing future artificial brains and unconventional computing devices. To evaluate a potential of proteinoid microspheres for unconventional electronic devices we measure and analyse the data-transfer capacities of proteinoid microspheres. In experimental laboratory conditions we demonstrate that the transfer function of proteinoids microspheres is a nontrivial phenomenon, which might be due to the wide range of proteinoid shapes, sizes, and structures.

研究の動機と目的

• 非従来型コンピューティングおよび人工脳アーキテクチャの基盤としてのプロテインイドマイクロスフィアの電気的伝達関数を評価すること。
• 電気化学的インピーダンス分光法（EIS）を用いて、プロテインイドマイクロスフィアの周波数依存インピーダンス挙動を特徴づけること。
• L-Lys:L-Phe:L-His と L-Glu などのプロテインイドの構造的・組成的変化とその電気的応答特性との相関を特定すること。
• プロテインイドマイクロスフィアがスパiking的電気的活性および信号伝播を示す可能性を評価すること。これは合成ニューラル系に関連する。
• 信号伝送を支配する主要な電気的パラメータ（例：電荷移動抵抗、二重層キャパシタンス）を同定すること。

提案手法

• プロテインイドマイクロスフィアは、L-グルタミック酸、L-アスパラギック酸、L-リジン、L-ヒスチジン、L-フェニルアラニンを高温での熱重合により合成した。
• インピーダンスは、C60ネットワークアナライザ（10 Hz から 4 MHz）およびLCRメータ（20 Hz から 300 kHz）を用いて周波数領域におけるインピーダンスの大きさと位相差を測定した。
• インピーダンスデータからニルクワイストプロットを作成し、インピーダンスの実部と虚部を可視化した。これにより、電荷移動プロセスを示す半円状のアーチが観察された。
• フィールドエミッション走査型電子顕微鏡（FE-SEM）を金被膜処理を施して、マイクロスフィアの形態および表面構造を観察した。
• フーリエ変換赤外分光法（FT-IR）を用い、400–4000 cm⁻¹、分解能 4 cm⁻¹ で、アミド I および II、C-H ストレッチング、および芳香族振動を含む官能基を同定した。
• ランドルズ等価回路モデルを適用して電気化学的挙動を解釈し、溶液抵抗、電荷移動抵抗、二重層キャパシタンスなどのパラメータをフィッティングから抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プロテインイドマイクロスフィアの電気的伝達関数は周波数にどのように依存するか。また、それらはこの系における信号伝播に関する何を明らかにするか？
• RQ2 プロテインイドの組成（例：L-Lys:L-Phe:L-His と L-Glu）とそのインピーダンス応答特性との関係は何か？
• RQ3 プロテインイドマイクロスフィアは、周波数選択的インピーダンスや電荷移動抵抗といった非自明な電気的挙動をどの程度示すか？
• RQ4 観察されたプロテインイドマイクロスフィアの電気的スパikingおよび発振挙動は、周波数領域における測定可能なインピーダンス特徴と関連しているか？
• RQ5 プロテインイドマイクロスフィアの構造的・組成的変化は、人工ニューラルネットワークや非従来型コンピューティングデバイスへの応用可能性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• プロテインイドマイクロスフィアは、明確な半円状のアーチを示す周波数依存性の複雑なインピーダンス応答を示し、電極界面での電荷移動プロセスを示している。
• L-Lys:L-Phe:L-His で作られたプロテインイドは、ニルクワイストプロットにおける半円の直径が 1.2 kΩ に達し、L-Glu よりも高い電荷移動抵抗と強い界面相互作用を示した。
• L-Glu で作られたプロテインイドは、直径が約 0.5 kΩ と小さく、電荷移動抵抗が低く、高周波数刺激に対して感受性が低いことを示した。
• FT-IR分光法により、アミド I（1650 cm⁻¹）、アミド II（1550 cm⁻¹）、アルキル性 C-H（2900 cm⁻¹）、芳香族 C-H（3000 cm⁻¹）などの主要な官能基が確認され、プロテインイドの構造が裏付けられた。
• システムの水抵抗は 3836 Ω で測定され、二重層キャパシタンスおよび電荷移動抵抗はニルクワイストフィッティングから導出された。これにより、ランドルズ等価回路モデルの妥当性が裏付けられた。
• プロテインイドマイクロスフィアの電気的挙動、特に自発的な電位スパイクや発振は、測定可能なインピーダンス特徴と相関しており、内在的な信号処理能力を示唆している。