Onderzoekers creëren zelfvoorzienende, intelligente, elektronische microsystemen van groen materiaal

Een onderzoeksteam van de Universiteit van Massachusetts Amherst heeft een elektronisch microsysteem gecreëerd dat intelligent kan reageren op informatie-invoer zonder enige externe energie-invoer, net als een zelf-autonoom levend organisme. Het microsysteem is opgebouwd uit een nieuw type elektronica dat ultralage elektronische signalen kan verwerken en bevat een apparaat dat elektriciteit “uit het niets” uit de omgeving kan opwekken.

Het baanbrekende onderzoek werd op 7 juni gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie.

Jun Yao, een assistent-professor in de elektrische en computertechnologie (ECE) en een adjunct-professor in biomedische technologie, leidde het onderzoek met zijn oude medewerker, Derek R. Lovley, een Distinguished Professor in microbiologie.

Beide belangrijkste componenten van het microsysteem zijn gemaakt van eiwit-nanodraden, een “groen” elektronisch materiaal dat hernieuwbaar wordt geproduceerd uit microben zonder “e-waste” te produceren. Het onderzoek kondigt het potentieel aan van toekomstige groene elektronica gemaakt van duurzame biomaterialen die meer vatbaar zijn voor interactie met het menselijk lichaam en diverse omgevingen.

Dit baanbrekende project produceert een “zelfvoorzienend intelligent microsysteem”, volgens het US Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory, dat het onderzoek financiert.

Tianda Fu, een afgestudeerde student in Yao’s groep, is de hoofdauteur. “Het is een opwindend begin om de haalbaarheid te onderzoeken van het opnemen van ‘levende’ functies in elektronica. Ik kijk uit naar verder geëvolueerde versies,” zei Fu.

Het project vertegenwoordigt een voortdurende evolutie van recent onderzoek door het team. Eerder ontdekte het onderzoeksteam dat elektriciteit kan worden opgewekt uit de omgeving/vochtigheid met een op eiwit-nanodraad gebaseerde Air Generator (of ‘Air-Gen’), een apparaat dat continu elektriciteit produceert in bijna alle omgevingen op aarde. De Air-Gen-uitvinding werd gerapporteerd in Natuur anno 2020.

Ook in 2020 rapporteerde Yao’s lab in Natuurcommunicatie dat de eiwit-nanodraden kunnen worden gebruikt om elektronische apparaten te bouwen, memristors genaamd, die hersenberekening kunnen nabootsen en werken met ultralage elektrische signalen die overeenkomen met de biologische signaalamplitudes.

“Nu voegen we de twee samen”, zei Yao over de creatie. “We maken microsystemen waarin de elektriciteit van Air-Gen wordt gebruikt om sensoren en circuits aan te drijven die zijn opgebouwd uit eiwit-nanodraad-memristors. Nu kan het elektronische microsysteem energie uit de omgeving halen om detectie en berekening te ondersteunen zonder dat een externe energiebron nodig is ( bijvoorbeeld batterij). Het heeft volledige energie, zelfvoorzienendheid en intelligentie, net als de zelfautonomie in een levend organisme.”

Het systeem is ook gemaakt van milieuvriendelijk biomateriaal: nanodraden van eiwitten die zijn geoogst uit bacteriën. Yao en Lovley ontwikkelden de Air-Gen van de microbe Geobacter, vele jaren geleden ontdekt door Lovley, die vervolgens werd gebruikt om elektriciteit op te wekken uit vocht in de lucht en later om memristors te bouwen die menselijke intelligentie konden nabootsen.

“Dus, zowel qua functie als materiaal”, zegt Yao, “maken we een elektronisch systeem meer bio-achtig of levend.”

“Het werk toont aan dat je een zelfvoorzienend intelligent microsysteem kunt fabriceren”, zegt Albena Ivanisevic, programmamanager biotronica bij het Amerikaanse leger Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory. “Het team van UMass heeft het gebruik van kunstmatige neuronen bij de berekening gedemonstreerd. Het is bijzonder opwindend dat de memristors van de eiwit-nanodraad stabiliteit vertonen in een waterige omgeving en vatbaar zijn voor verdere functionalisering. Aanvullende functionalisering belooft niet alleen hun stabiliteit te vergroten, maar ook hun bruikbaarheid uit te breiden voor sensor en nieuwe communicatiemodaliteiten die van belang zijn voor het leger.”