Twój telefon może mieć ponad 15 miliardów maleńkich tranzystorów upakowanych w chipach mikroprocesorowych. Tranzystory są wykonane z krzemu, metali takich jak złoto i miedź oraz izolatorów, które razem pobierają prąd elektryczny i przekształcają go na jedynki i zera w celu przekazywania informacji i przechowywania ich. Materiały tranzystorowe są nieorganiczne i pochodzą zasadniczo ze skał i metalu.
Ale co by było, gdyby można było uczynić te podstawowe komponenty elektroniczne częścią biologiczną, zdolną bezpośrednio reagować na środowisko i zmieniać się jak żywa tkanka?
Tak właśnie zrobił zespół z Tufts University Silklab, tworząc tranzystory zastępujące materiał izolacyjny biologicznym jedwabiem. O swoich odkryciach poinformowali w Advanced Materials.
Fibroinę jedwabiu – białko strukturalne włókien jedwabiu – można precyzyjnie osadzać na powierzchniach i łatwo modyfikować innymi cząsteczkami chemicznymi i biologicznymi w celu zmiany jego właściwości. Jedwab sfunkcjonalizowany w ten sposób może wychwytywać i wykrywać szeroką gamę składników ciała lub otoczenia.
Podczas pierwszej demonstracji prototypowego urządzenia zespół wykorzystał tranzystory hybrydowe do stworzenia bardzo czułego i ultraszybkiego czujnika oddechu, wykrywającego zmiany wilgotności. Dalsze modyfikacje warstwy jedwabiu mogłyby umożliwić urządzeniom wykrywanie niektórych chorób układu krążenia i płuc, a także bezdechu sennego lub wykrywanie w wydychanym powietrzu poziomu dwutlenku węgla oraz innych gazów i cząsteczek, co mogłoby dostarczyć informacji diagnostycznych. Stosowane w połączeniu z osoczem krwi mogą potencjalnie dostarczyć informacji na temat poziomu natlenienia i poziomu glukozy, krążących przeciwciał i nie tylko.
Przed opracowaniem tranzystorów hybrydowych Silklab, kierowany przez Fiorenzo Omenetto, profesora inżynierii Franka C. Doble’a, wykorzystywał już fibroinę do produkcji bioaktywnych atramentów do tkanin, które potrafią wykrywać zmiany w środowisku lub na ciele, wykrywając tatuaże które można umieścić pod skórą lub na zębach w celu monitorowania stanu zdrowia i diety, a także czujniki, które można wydrukować na dowolnej powierzchni w celu wykrywania patogenów, takich jak wirus odpowiedzialny za COVID19.
Jak to działa
Tranzystor to po prostu przełącznik elektryczny, do którego wchodzi metalowy przewód elektryczny, a drugi wychodzi. Pomiędzy przewodami znajduje się materiał półprzewodnikowy, nazywany tak dlatego, że nie jest w stanie przewodzić prądu elektrycznego, chyba że zostanie naciągnięty.
Inne źródło wejścia elektrycznego zwane bramką jest oddzielone od wszystkiego innego izolatorem. Bramka działa jak „klucz” do włączania i wyłączania tranzystora. Wyzwala stan włączenia, gdy napięcie progowe – które nazwiemy „1” – wytwarza pole elektryczne w poprzek izolatora, rozpoczynając ruch elektronów w półprzewodniku i rozpoczynając przepływ prądu przez przewody.
W biologicznym tranzystorze hybrydowym warstwa jedwabiu pełni rolę izolatora, a gdy pochłania wilgoć, zachowuje się jak żel przenoszący zawarte w nim jony (cząsteczki naładowane elektrycznie). Bramka wyzwala stan włączenia poprzez zmianę układu jonów w jedwabnym żelu. Zmieniając skład jonowy jedwabiu, zmienia się działanie tranzystora, umożliwiając jego wyzwolenie dowolną wartością bramki z zakresu od zera do jeden.
„Można sobie wyobrazić tworzenie obwodów wykorzystujących informacje, które nie są reprezentowane przez dyskretne poziomy binarne stosowane w obliczeniach cyfrowych, ale mogą przetwarzać zmienne informacje tak jak w obliczeniach analogowych, ze zmianami spowodowanymi zmianą zawartości jedwabiu” – powiedział Omenetto. „Otwiera to możliwość wprowadzenia biologii do obliczeń w nowoczesnych mikroprocesorach” – powiedział Omenetto. Oczywiście najpotężniejszym znanym komputerem biologicznym jest mózg, który przetwarza informacje o zmiennym poziomie sygnałów chemicznych i elektrycznych.
Wyzwaniem technicznym związanym z tworzeniem hybrydowych tranzystorów biologicznych było umożliwienie przetwarzania jedwabiu w nanoskali do 10 nm lub mniej niż 1/10000 średnicy ludzkiego włosa. „Uzyskawszy to, możemy teraz wytwarzać tranzystory hybrydowe przy użyciu tych samych procesów produkcyjnych, które są stosowane w komercyjnej produkcji chipów” – powiedział Beom Joon Kim, pracownik naukowy ze stopniem doktora w School of Engineering. „Oznacza to, że możesz wyprodukować miliard takich egzemplarzy, korzystając z dostępnych obecnie możliwości”.
Posiadanie miliardów węzłów tranzystorowych z połączeniami rekonfigurowanymi w wyniku procesów biologicznych zachodzących w jedwabiu może doprowadzić do powstania mikroprocesorów, które mogłyby działać jak sieci neuronowe stosowane w sztucznej inteligencji. „Patrząc w przyszłość, można sobie wyobrazić układy scalone, które same się trenują, reagują na sygnały otoczenia i zapisują pamięć bezpośrednio w tranzystorach, zamiast wysyłać ją do oddzielnej pamięci” – powiedział Omenetto.
Nie stworzono jeszcze urządzeń wykrywających i reagujących na bardziej złożone stany biologiczne, a także wielkoskalowych obliczeń analogowych i neuromorficznych. Omenetto optymistycznie patrzy na przyszłe możliwości. „To otwiera nowy sposób myślenia o styku elektroniki i biologii, a przed nami wiele ważnych, fundamentalnych odkryć i zastosowań”.