Forskere skaber selvbærende, intelligent, elektroniske mikrosystemer fra grønt materiale

Et forskerhold fra University of Massachusetts Amherst har skabt et elektronisk mikrosystem, der intelligent kan reagere på informationsinput uden nogen ekstern energiinput, meget som en selv-autonom levende organisme. Mikrosystemet er konstrueret af en ny type elektronik, der kan behandle ultralave elektroniske signaler og inkorporerer en enhed, der kan generere elektricitet "ud af den blå luft" fra det omgivende miljø.

Den banebrydende forskning blev offentliggjort 7. juni i tidsskriftet Naturkommunikation .

Jun Yao, en adjunkt i elektro- og computerteknik (ECE) og en adjungeret professor i biomedicinsk teknik, ledede forskningen sammen med sin mangeårige samarbejdspartner, Derek R. Lovley, en fremtrædende professor i mikrobiologi.

Begge nøglekomponenter i mikrosystemet er lavet af protein nanotråde, et "grønt" elektronisk materiale, der er fornybart fremstillet af mikrober uden at producere "e-affald". Forskningen varsler potentialet for fremtidig grøn elektronik fremstillet af bæredygtige biomaterialer, der er mere modtagelige for at interagere med den menneskelige krop og forskellige miljøer.

Dette gennembrudsprojekt producerer et "selvbærende intelligent mikrosystem, "ifølge U.S. Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory, som finansierer forskningen.

Tianda Fu, en kandidatstuderende i Yaos gruppe, er hovedforfatter. "Det er en spændende start at udforske muligheden for at inkorporere 'levende' funktioner i elektronik. Jeg ser frem til yderligere udviklede versioner, " sagde Fu.

Projektet repræsenterer en fortsat udvikling af nyere forskning fra holdet. Tidligere har forskerholdet opdagede, at elektricitet kan genereres fra det omgivende miljø/fugtighed med en protein-nanowire-baseret luftgenerator (eller 'Air-Gen'), en enhed, der kontinuerligt producerer elektricitet i næsten alle miljøer, der findes på Jorden. Air-Gen-opfindelsen blev rapporteret i Natur i 2020.

Også i 2020, Yaos laboratorium rapporterede ind Naturkommunikation at proteinnanotrådene kan bruges til at konstruere elektroniske enheder kaldet memristorer, der kan efterligne hjerneberegning og arbejde med ultralave elektriske signaler, der matcher de biologiske signalamplituder.

"Nu sætter vi de to sammen, " Yao sagde om skabelsen. "Vi laver mikrosystemer, hvor elektriciteten fra Air-Gen bruges til at drive sensorer og kredsløb konstrueret af protein-nanowire memristorer. Nu kan det elektroniske mikrosystem få energi fra omgivelserne for at understøtte sansning og beregning uden behov for en ekstern energikilde (f.eks. batteri). Det har fuld energi selvbæredygtighed og intelligens, ligesom selvautonomi i en levende organisme."

Systemet er også lavet af miljøvenligt biomateriale - protein nanotråde høstet fra bakterier. Yao og Lovley udviklede Air-Gen fra mikroben Geobacter, opdaget af Lovley for mange år siden, som derefter blev brugt til at skabe elektricitet fra fugt i luften og senere til at bygge memristorer, der var i stand til at efterligne menneskelig intelligens.

"Så, fra både funktion og materiale, " siger Yao, "vi gør et elektronisk system mere bio-ens eller levende ens."

"Værket viser, at man kan fremstille et selvopretholdt intelligent mikrosystem, " sagde Albena Ivanisevic, biotronics-programlederen ved U.S. Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory. "Holdet fra UMass har demonstreret brugen af ​​kunstige neuroner i beregninger. Det er særligt spændende, at protein-nanowire memristorerne viser stabilitet i vandigt miljø og er modtagelige for yderligere funktionalisering. Yderligere funktionalisering lover ikke kun at øge deres stabilitet, men også udvide deres anvendelighed for sensorer og nye kommunikationsmodaliteter af betydning for hæren."