Un team di ricerca dell'Università del Massachusetts Amherst ha creato un microsistema elettronico in grado di rispondere in modo intelligente agli input di informazioni senza alcun input di energia esterna, proprio come un organismo vivente autonomo. Il microsistema è costituito da un nuovo tipo di elettronica in grado di elaborare segnali elettronici ultrabassi e incorpora un dispositivo in grado di generare elettricità "dal nulla" dall'ambiente circostante.

La ricerca innovativa è stata pubblicata il 7 giugno sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Jun Yao, un assistente professore in ingegneria elettrica e informatica (ECE) e professore a contratto in ingegneria biomedica, ha condotto la ricerca con il suo collaboratore di lunga data, Derek R. Lovley, un illustre professore di microbiologia.

Entrambi i componenti chiave del microsistema sono costituiti da nanofili proteici, un materiale elettronico "verde" che viene prodotto in modo rinnovabile dai microbi senza produrre "rifiuti elettronici". La ricerca annuncia il potenziale della futura elettronica verde realizzata con biomateriali sostenibili che sono più suscettibili di interagire con il corpo umano e ambienti diversi.

Questo progetto rivoluzionario sta producendo un "microsistema intelligente autosufficiente, " secondo il laboratorio di ricerca dell'esercito del comando per lo sviluppo delle capacità di combattimento dell'esercito degli Stati Uniti, che finanzia la ricerca.

Tianda Fu, uno studente laureato nel gruppo di Yao, è l'autore principale. "È un inizio entusiasmante per esplorare la fattibilità di incorporare funzionalità "viventi" nell'elettronica. Non vedo l'ora di versioni ulteriormente evolute, " disse Fu.

Il progetto rappresenta una continua evoluzione della recente ricerca del team. In precedenza, il team di ricerca ha scoperto che l'elettricità può essere generata dall'ambiente/umidità ambientale con un generatore d'aria a base di nanofili di proteine ​​(o "Air-Gen"), un dispositivo che produce continuamente elettricità in quasi tutti gli ambienti della Terra. L'invenzione dell'Air-Gen è stata segnalata in Natura nel 2020.

Anche nel 2020, Il laboratorio di Yao segnalato in Comunicazioni sulla natura che i nanofili proteici possono essere utilizzati per costruire dispositivi elettronici chiamati memristori che possono imitare il calcolo del cervello e lavorare con segnali elettrici ultrabassi che corrispondono alle ampiezze del segnale biologico.

"Ora mettiamo insieme i due, " Yao ha detto della creazione. "Produciamo microsistemi in cui l'elettricità di Air-Gen viene utilizzata per guidare sensori e circuiti costruiti da memristori di nanofili proteici. Ora il microsistema elettronico può ottenere energia dall'ambiente per supportare il rilevamento e il calcolo senza la necessità di una fonte di energia esterna (ad esempio la batteria). Ha piena energia autosostenibilità e intelligenza, proprio come l'autonomia in un organismo vivente."

Il sistema è inoltre costituito da biomateriali ecologici:nanofili proteici raccolti da batteri. Yao e Lovley hanno sviluppato l'Air-Gen dal microbo Geobacter, scoperto da Lovley molti anni fa, che è stato poi utilizzato per creare elettricità dall'umidità nell'aria e in seguito per costruire memristori in grado di imitare l'intelligenza umana.

"Così, sia dalla funzione che dal materiale, " dice Yao, "stiamo rendendo un sistema elettronico più simile alla biografia o allo stesso modo".

"Il lavoro dimostra che si può fabbricare un microsistema intelligente autosufficiente, " disse Albena Ivanisevic, il responsabile del programma di biotronica presso il laboratorio di ricerca dell'esercito del comando di sviluppo delle capacità di combattimento dell'esercito degli Stati Uniti. "Il team di UMass ha dimostrato l'uso di neuroni artificiali nel calcolo. È particolarmente interessante che i memristori di nanofili proteici mostrino stabilità in ambiente acquoso e siano suscettibili di un'ulteriore funzionalizzazione. La funzionalizzazione aggiuntiva promette non solo di aumentare la loro stabilità, ma anche di espandere la loro utilità per sensori e nuove modalità di comunicazione importanti per l'esercito."