马萨诸塞大学阿默斯特分校:在没有任何外部能量输入的情况下对信息输入做出智能响应的电子微系统

马萨诸塞大学阿默斯特分校的一个研究团队创造了一个电子微系统,可以在没有任何外部能量输入的情况下对信息输入做出智能响应,就像一个自我自主的生物体。该微系统由一种新型电子设备构成,该电子设备可以处理超低电子信号,并包含一个可以从周围环境“凭空”发电的设备。


这项开创性研究于 6 月 7 日发表在《自然通讯》杂志上。


电气和计算机工程 (ECE) 助理教授兼生物医学工程兼职教授 Jun Yao 与他的长期合作者、微生物学杰出教授 Derek R. Lovley 领导了这项研究。


微系统的两个关键组件均由蛋白质纳米线制成,这是一种“绿色”电子材料,可从微生物中产生,不会产生“电子垃圾”。该研究预示着由可持续生物材料制成的未来绿色电子产品的潜力,这些材料更易于与人体和不同环境相互作用。


据资助该研究的美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室称,该突破性项目正在生产“自我维持的智能微系统”。


姚课题组研究生傅田大为第一作者。 “探索在电子产品中加入‘活’功能的可行性是一个令人兴奋的开始。我期待着进一步发展的版本。”傅说。


该项目代表了该团队最近研究的持续发展。此前,研究小组发现,可以使用基于蛋白质纳米线的空气发生器(或“Air-Gen”)从周围环境/湿度中产生电力,这种设备可以在地球上几乎所有环境中持续发电。 Air-Gen 的发明于 2020 年在 Nature 上发表。


同样在 2020 年,Yao 的实验室在 Nature Communications 上报道称,蛋白质纳米线可用于构建称为忆阻器的电子设备,该设备可以模拟大脑计算并处理与生物信号幅度匹配的超低电信号。


“现在我们将两者拼凑起来,”姚明谈到创作时说: “我们制造微系统,其中来自 Air-Gen 的电力用于驱动由蛋白质纳米线忆阻器构建的传感器和电路。现在,电子微系统可以从环境中获取能量来支持传感和计算,而无需外部能源(例如电池)。它具有完整的能量自我维持和智能,就像生物体的自我自治一样。”


该系统还由环保生物材料制成——从细菌中提取的蛋白质纳米线。 Yao 和 Lovley 用 Lovley 多年前发现的微生物 Geobacter 开发了 Air-Gen,然后将其用于从空气中的湿气中发电,后来又制造了能够模仿人类智能的忆阻器。


“因此,从功能和材料两方面来看,”姚说:“我们正在使电子系统更接近生物或生物。”


美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室生物电子学项目经理 Albena Ivanisevic 说:“这项工作表明,人们可以制造一个自我维持的智能微系统。马萨诸塞大学的团队已经证明了人工神经元在计算中的使用。特别令人兴奋的是,蛋白质纳米线忆阻器在水性环境中表现出稳定性,并且可以进一步功能化。额外的功能化不仅有望提高它们的稳定性,而且还扩大了它们的效用用于对陆军重要的传感器和新型通信方式。”