[论文解读] 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 7

一句话总结

本研究证明，平菇（Pleurotus ostreatus）菌丝体表现出电容特性，电容值在数百皮法拉（pico-Farads）范围内，可实现局部电荷存储。电荷密度随距离源电极的距离迅速衰减，表明在保持湿度以维持一致电导率的前提下，其在高密度、局部化的生物电子阵列中具有应用潜力。

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.

研究动机与目标

• 研究平菇（Pleurotus ostreatus）菌丝体基质的电容特性，以用于有机电子器件。
• 确定菌丝体是否可作为可生物降解的有机电介质材料用于电容应用。
• 评估电荷存储的空间分布及其与电极间距和湿度含量的关系。
• 探索将菌丝体网络用作非传统计算架构中组件的可行性。
• 评估环境稳定性，并评估长期功能在生物电子系统中的潜在稳定化技术。

提出的方法

• 在潮湿木屑上培养菌丝体，作为电容测试的基质。
• 使用镀铱的不锈钢针作为电极，以不同间距（10 mm、20 mm、40 mm、50 mm）插入已定殖的基质中。
• 通过台式稳压电源施加50 V直流电压，并使用数字万用表（Fluke 8846A）测量放电曲线。
• 通过主机PC的串口终端自动采集数据，记录电压随时间的衰减。
• 通过测量干燥样品中电压衰减，监测水分流失对电荷保持的影响。
• 利用模拟和实测的电场分布图分析电流密度和电场线分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 平菇（Pleurotus ostreatus）菌丝体基质的可测量电容值是多少？
• RQ2 菌丝体的电荷密度如何随距离源电极的距离增加而变化？
• RQ3 湿度含量如何影响菌丝体的电容行为及电荷保持性能？
• RQ4 菌丝体能否支持适合用于生物电子阵列的局部电荷存储？
• RQ5 哪些稳定化技术可增强菌丝体在电子应用中的电学功能和环境耐受性？

主要发现

• 菌丝体基质表现出数百皮法拉量级的电容，显著高于未定殖的木屑。
• 电荷密度随距离源电极的距离迅速衰减，22分钟后，距源电极10 mm处电压最大值降至不足1/5，15 mm处降至不足1/10。
• 电流密度在电极间最短路径上最高，电场线间距紧密，随距离增加而减小。
• 水分流失导致可测量电压迅速下降，在距源电极5 mm处的干燥样品中，22分钟内电压下降近15 V。
• 在电极区域之外存在边缘场效应，尽管电流流动微弱，但仍可测得微小但可测量的电压。
• 基于黏菌研究中的成功经验，建议通过聚吡咯（PANI）或PEDOT-PSS等导电聚合物进行稳定化处理，以在干燥条件下维持功能。