Vybudovány udržitelné a inteligentní mikroelektronické systémy – podobně jako autonomní živé organismy

Výzkumný tým z University of Massachusetts Amherst vytvořil malý elektronický systém, který dokáže inteligentně reagovat na vstup informací bez jakéhokoli externího vstupu energie, jako je autonomní organismus. Miniaturní systém je postaven z nového typu elektroniky, která dokáže zpracovat velmi nízké elektronické signály, a obsahuje nové zařízení, které dokáže generovat elektřinu „ze vzduchu“ z okolního prostředí.

Průkopnický výzkum byl publikován 7. června 2021 v časopise Přírodní spojení.

Jun Yao, odborný asistent elektrotechnického a počítačového inženýrství (ECE) a odborný asistent biomedicínského inženýrství, vedl výzkum se svým dlouholetým asistentem Derekem R. Krásný, významný profesor mikrobiologie.

Obě hlavní součásti mikrosystému sestávají z proteinových nanodrátů, „zeleného“ elektronického materiálu, který se regenerativně vyrábí z mikrobů bez produkce „elektronického odpadu“. Výzkum je příslibem budoucí zelené elektroniky vyrobené z biologicky udržitelných materiálů, které jsou vnímavější pro lidské tělo a různá prostředí.

Tento pozoruhodný projekt produkuje „inteligentní, soběstačný malý systém“, podle výzkumné laboratoře US Army Combat Capabilities Development Command Research Laboratory, která výzkum financuje.

Tianda Fu, postgraduální studentka ve skupině Yao, je hlavní autorka. „Je to vzrušující začátek zkoumání proveditelnosti začlenění“ živých „funkcí do elektroniky. Těším se na další špičkové verze,“ řekl Fu.

Projekt představuje neustálý vývoj nedávného výzkumu prováděného týmem. Výzkumný tým dříve zjistil, že elektřinu lze generovat z okolního prostředí / vlhkosti pomocí generátoru vzduchu na bázi proteinových nanodrátů (nebo „Air-Gen“), zařízení, které nepřetržitě vyrábí elektřinu téměř ve všech prostředích na Zemi. Air-Gen byl zaznamenán v Příroda v roce 2020.

Také v roce 2020 laboratoř Yao uvedeno v Přírodní spojení Proteinové nanodráty lze použít k výrobě elektronických zařízení zvaných memristory, které mohou simulovat výpočty mozku a pracovat s ultranízkými elektrickými signály, které odpovídají amplitudě biologického signálu.

„Nyní je spojujeme,“ řekl Yao o stvoření. „Vyrábíme mikrosystémy, ve kterých se elektřina z Air-Gen používá k napájení senzorů a obvodů vytvořených z nanoproteinových memristorů. Nyní může elektronický mikrosystém zachytit energii z prostředí a podporovat snímání a výpočet bez potřeby externího napájení.“ zdroj (například baterie). Je soběstačný. a inteligence plná energie, stejně jako autonomie v živé bytosti. “

Systém také sestává z ekologicky šetrných biomateriálů – proteinových nanodrátů získaných z bakterií. Yao a Lovley vyvinuli Air-Gen z mikroba Geobacter, objeveného Lovleyem před několika lety, který byl poté použit k výrobě elektřiny z vlhkosti ve vzduchu a později k výrobě memristorů schopných simulovat lidskou inteligenci.

„Takže z hlediska funkce a materiálu vytváříme elektronický systém, který je biologicky nebo biologicky podobnější,“ říká Yao.

„Práce ukazuje, že lze vytvořit soběstačný inteligentní mikrosystém,“ uvedla Albina Ivanisevic, ředitelka programu pro bioelektroniku ve Výzkumné laboratoři velení pro rozvoj bojových schopností armády USA. „Tým UMass demonstroval použití umělých neuronů pro výpočet. Je obzvláště vzrušující, že nanoproteinové memristory prokazují stabilitu ve vodném prostředí a jsou vhodné pro další provoz. Další funkce slibují nejen zvýšení jejich stability, ale také rozšíření jejich užitečnosti pro nové senzory a komunikační metody důležité pro armádu “.

Odkaz: „Samonosná zelená neurální rozhraní“ Tianda Fu, Xiaoming Liu, Shuai Fu, Trevor Woodard, Hongyan Zhao, Derek R. Lovely, Jun Yao, 7. června 2021, k dispozici zde. Přírodní spojení.
DOI: 10.1038 / s41467-021-23744-2