Ett forskarlag från University of Massachusetts Amherst har skapat ett elektroniskt mikrosystem som intelligent kan svara på informationsinmatningar utan någon extern energiinmatning, ungefär som en självautonom levande organism. Mikrosystemet är konstruerat av en ny typ av elektronik som kan behandla ultralåga elektroniska signaler och innehåller en enhet som kan generera elektricitet "ur tomma intet" från den omgivande miljön.

Den banbrytande forskningen publicerades den 7 juni i tidskriften Naturkommunikation .

Jun Yao, en biträdande professor i elektro- och datateknik (ECE) och en adjungerad professor i biomedicinsk teknik, ledde forskningen med sin långvariga medarbetare, Derek R. Lovley, en framstående professor i mikrobiologi.

Båda nyckelkomponenterna i mikrosystemet är gjorda av protein nanotrådar, ett "grönt" elektroniskt material som är förnybart framställt av mikrober utan att producera "e-avfall". Forskningen förebådar potentialen för framtida grön elektronik tillverkad av hållbara biomaterial som är mer mottagliga för att interagera med människokroppen och olika miljöer.

Detta genombrottsprojekt producerar ett "självförsörjande intelligent mikrosystem, " enligt U.S. Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory, som finansierar forskningen.

Tianda Fu, en doktorand i Yaos grupp, är huvudförfattare. "Det är en spännande start att utforska möjligheten att införliva "levande" funktioner i elektronik. Jag ser fram emot ytterligare utvecklade versioner, " sa Fu.

Projektet representerar en fortgående utveckling av nyare forskning av teamet. Tidigare, forskargruppen upptäckte att elektricitet kan genereras från den omgivande miljön/fuktigheten med en protein-nanowire-baserad Air Generator (eller 'Air-Gen'), en enhet som kontinuerligt producerar elektricitet i nästan alla miljöer som finns på jorden. Air-Gens uppfinning rapporterades i Natur år 2020.

Även 2020, Yaos labb rapporterade in Naturkommunikation att proteinnanotrådarna kan användas för att konstruera elektroniska enheter som kallas memristorer som kan efterlikna hjärnberäkningar och arbeta med ultralåga elektriska signaler som matchar de biologiska signalamplituderna.

"Nu sätter vi ihop de två, ", sade Yao om skapandet. "Vi gör mikrosystem där elektriciteten från Air-Gen används för att driva sensorer och kretsar konstruerade från protein-nanowire memristorer. Nu kan det elektroniska mikrosystemet få energi från omgivningen för att stödja avkänning och beräkning utan behov av en extern energikälla (t.ex. batteri). Den har full energi självförsörjning och intelligens, precis som självautonomin i en levande organism."

Systemet är också tillverkat av miljövänligt biomaterial – proteinnanotrådar som skördats från bakterier. Yao och Lovley utvecklade Air-Gen från mikroben Geobacter, upptäcktes av Lovley för många år sedan, som sedan användes för att skapa elektricitet från fukt i luften och senare för att bygga memristorer som kunde efterlikna mänsklig intelligens.

"Så, från både funktion och material, säger Yao, "vi gör ett elektroniskt system mer biolikt eller levande lika."

"Arbetet visar att man kan tillverka ett självförsörjande intelligent mikrosystem, sa Albena Ivanisevic, programledaren för biotronik vid U.S. Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory. "Teamet från UMass har visat användningen av artificiella neuroner i beräkningar. Det är särskilt spännande att proteinnanowire memristorerna visar stabilitet i vattenhaltig miljö och är mottagliga för ytterligare funktionalisering. Ytterligare funktionalisering lovar inte bara att öka deras stabilitet utan också utöka deras användbarhet för sensorer och nya kommunikationsmodaliteter av betydelse för armén."