‘Groene’ intelligente elektronische microsysteem gedraagt zich als een zelfstandig levend organisme

Onderzoekers aan de Universiteit van Massachusetts Amherst hebben een nieuw elektronisch microsysteem ontwikkeld dat zich als een zelfstandig levend organisme gedraagt door intelligent te reageren op informatie-inputs zonder externe energietoevoer. Het novumtype elektronica dat verantwoordelijk is voor het microsysteem, kan ultralage elektronische signalen verwerken en bevat een apparaat dat elektriciteit “uit het niets” kan genereren uit de omgevingsomgeving.

Het onderzoek werd gepresenteerd in Nature Communications op 7 juni.

Eiwitnanodraden

Jun Yao, die het onderzoek leidde, is een assistent-professor in elektrotechniek en computerwetenschappen (ECE) en een adjunct-professor in biomedische technologie.

Het microsysteem bestaat uit twee sleutelcomponenten gemaakt van eiwitnanodraden, die een “groene” elektronisch materiaal zijn dat op een duurzame manier wordt geproduceerd. Het produceert geen “e-afval” en het systeem is een blauwdruk voor toekomstige groene elektronica gemaakt van duurzame biomaterialen.

Volgens het U.S. Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory, dat verantwoordelijk is voor de financiering van het project, produceert het een “zelfonderhoudend microsysteem”.

Tianda Fu is een promovendus in de groep van Yao en de eerste auteur.

“Het is een spannend begin om de haalbaarheid van het incorporeren van ‘levende’ functies in elektronica te onderzoeken. Ik kijk uit naar verdere geëvolueerde versies,” zei Fu.

Vorig onderzoek

Het team heeft al eerder soortgelijk onderzoek en projecten gedaan, met de meest recente betreffende de ontdekking dat elektriciteit kan worden gegenereerd uit de omgevingsomgeving met een eiwitnanodraad-gebaseerde Air Generator, die een apparaat is dat continu elektriciteit kan produceren in bijna alle omgevingen.

Dat onderzoek werd in 2020 gepubliceerd in Nature.

Ook in 2020 vond het team uit dat eiwitnanodraden kunnen worden gebruikt om elektronische apparaten te bouwen die memristors worden genoemd, die hersenberekeningen kunnen nabootsen en werken met ultralage elektrische signalen die overeenkomen met biologische signaalamplitudes.

“Nu combineren we de twee,” zei Yao. “We maken microsystemen waarin de elektriciteit van Air-Gen wordt gebruikt om sensoren en schakelingen te bedrijven die zijn gebouwd met eiwitnanodraad-memristors. Nu kan het elektronische microsysteem energie uit de omgeving halen om sensing en berekening te ondersteunen zonder de behoefte aan een externe energietoevoer (bijv. batterij). Het heeft volledige energiezelfstandigheid en intelligentie, net als de zelfstandigheid in een levend organisme.”

Het systeem is gemaakt van eiwitnanodraden die zijn geoogst uit bacteriën, wat betekent dat het milieuvriendelijk is.

“Dus, vanuit zowel functionaliteit als materiaal, maken we een elektronisch systeem dat meer bio-achtig of levend-achtig is,” zegt Yao.

Albena Ivanisevic is de programmaleider van het biotronics-programma bij het U.S. Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory.

“Het werk toont aan dat men een zelfonderhoudend intelligent microsysteem kan fabriceren,” zei Ivanisevic. “Het team van UMass heeft het gebruik van kunstmatige neuronen in berekening gedemonstreerd. Het is bijzonder spannend dat de eiwitnanodraad-memristors stabiliteit vertonen in een waterige omgeving en vatbaar zijn voor verdere functionalisatie. Verdere functionalisatie belooft niet alleen de stabiliteit te vergroten, maar ook de bruikbaarheid voor sensoren en nieuwe communicatiemodaliteiten van belang voor het leger uit te breiden.”