‘Grünes’ intelligentes elektronisches Mikrosystem verhält sich wie ein selbstständiges lebendes Organ

Forscher an der University of Massachusetts Amherst haben ein neues elektronisches Mikrosystem entwickelt, das wie ein selbstständiges lebendes Organ intelligent auf Informationsinputs reagiert, ohne externe Energiezufuhr. Die neue Art von Elektronik, die für das Mikrosystem verantwortlich ist, kann ultraniedrige elektronische Signale verarbeiten und enthält ein Gerät, das Elektrizität “aus dem Nichts” aus der Umgebung generieren kann.

Die Forschung wurde in Nature Communications am 7. Juni vorgestellt.

Eiweiß-Nanodrähte

Jun Yao, der die Forschung leitete, ist Assistant Professor für Elektrotechnik und Computerwissenschaften (ECE) und Adjunct Professor für Biomedizinische Ingenieurwissenschaften.

Das Mikrosystem besteht aus zwei Hauptkomponenten, die aus Eiweiß-Nanodrähten hergestellt werden, einem “grünen” elektronischen Material, das erneuerbar produziert wird. Es produziert kein “E-Schrott” und das System ist ein Blueprint für zukünftige grüne Elektronik, die aus nachhaltigen Biomaterialien hergestellt wird.

Laut dem U.S. Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory, das das Projekt finanziert, wird ein “selbstständiges Mikrosystem” produziert.

Tianda Fu ist ein Doktorand in Yaos Gruppe und Erstautor.

“Es ist ein spannender Anfang, um die Machbarkeit der Integration von ‘lebenden’ Funktionen in die Elektronik zu erforschen. Ich freue mich auf weitere entwickelte Versionen”, sagte Fu.

Vorherige Forschung

Das Team hat bereits an ähnlichen Forschungen und Projekten gearbeitet, mit dem jüngsten, das die Entdeckung umfasst, dass Elektrizität aus der Umgebung mit einem Eiweiß-Nanodraht-basierten Air-Generator generiert werden kann, einem Gerät, das kontinuierlich Elektrizität in fast allen Umgebungen produzieren kann.

Diese Forschung wurde 2020 in Nature veröffentlicht.

Im Jahr 2020 fand das Team heraus, dass Eiweiß-Nanodrähte verwendet werden können, um elektronische Geräte wie Memristoren zu konstruieren, die Hirnrechnungen nachahmen und mit ultraniedrigen elektrischen Signalen arbeiten können, die den biologischen Signalamplituden entsprechen.

“Jetzt setzen wir die beiden zusammen”, sagte Yao. “Wir erstellen Mikrosysteme, in denen die Elektrizität aus Air-Gen verwendet wird, um Sensoren und Schaltkreise zu betreiben, die aus Eiweiß-Nanodraht-Memristoren konstruiert sind. Jetzt kann das elektronische Mikrosystem Energie aus der Umgebung beziehen, um Sensoren und Rechnungen zu unterstützen, ohne die Notwendigkeit einer externen Energiequelle (z.B. Batterie). Es hat volle Energie-Selbstständigkeit und Intelligenz, genau wie die Selbstständigkeit in einem lebenden Organ.”

Das System wird aus Eiweiß-Nanodrähten hergestellt, die aus Bakterien gewonnen werden, was es umweltfreundlich macht.

“So sind wir, sowohl funktional als auch materialbedingt, ein elektronisches System, das mehr bio-ähnlich oder lebendig-ähnlich ist”, sagt Yao.

Albena Ivanisevic ist der Biotronics-Programm-Manager beim U.S. Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory.

“Die Arbeit zeigt, dass man ein selbstständiges intelligentes Mikrosystem herstellen kann”, sagte Ivanisevic. “Das Team von UMass hat die Verwendung von künstlichen Neuronen in der Rechnung demonstriert. Es ist besonders spannend, dass die Eiweiß-Nanodraht-Memristoren Stabilität in einer wässrigen Umgebung zeigen und für weitere Funktionalisierungen geeignet sind. Eine weitere Funktionalisierung verspricht nicht nur, ihre Stabilität zu erhöhen, sondern auch ihre Nützlichkeit für Sensoren und neuartige Kommunikationsmodi von Bedeutung für das Militär zu erweitern.”