具有丝蛋白的混合晶体管为生物学和微电子集成奠定了基础

你的手机的微处理器芯片中可能有超过150亿个微型晶体管。晶体管是由硅、金、铜等金属和绝缘体组成的，它们一起接收电流并将其转换为1和0来交流和存储信息。晶体管材料是无机物，主要来源于岩石和金属。

但是，如果你能让这些基本的电子元件成为生物的一部分，能够直接对环境做出反应，并像活组织一样发生变化，会怎么样？

塔夫茨大学Silklab的一个团队在用生物丝代替绝缘材料制造晶体管时就是这样做的。他们在《先进材料》杂志上报道了他们的发现。

丝素蛋白——丝纤维的结构蛋白可以精确地沉积在表面，并很容易地用其他化学和生物分子修饰以改变其性质。以这种方式功能化的丝绸可以从身体或环境中提取和检测多种成分。

该团队首次演示了一种原型设备，使用带有丝素蛋白的混合晶体管制作了一种高灵敏度、超快的呼吸传感器，可以检测湿度的变化。

晶体管中丝层的进一步修饰可以使设备能够检测一些心血管和肺部疾病，以及睡眠呼吸暂停，或者检测呼吸中的二氧化碳水平和其他可能提供诊断信息的气体和分子。与血浆一起使用，它们可能提供有关氧合和葡萄糖水平、循环抗体等的信息。

在开发混合晶体管之前，由弗兰克·c·多布尔(Frank C. Doble)工程学教授Fiorenzo Omenetto领导的Silklab已经使用丝素蛋白为织物制造生物活性墨水，这种墨水可以检测环境或身体的变化，可以感应放置在皮肤下或牙齿上的纹身，以监测健康和饮食，以及可以打印在任何表面上的传感器，以检测导致COVID-19的病毒等病原体。

它是如何工作的

晶体管就是一个电子开关，一根金属引线进来，另一根出来。在引线之间的是半导体材料，之所以这么说，是因为除非经过诱导，否则它不能导电。

另一种被称为栅极的电输入源被绝缘体与其他一切隔开。栅极就像打开和关闭晶体管的“钥匙”。当阈值电压在绝缘体上产生电场时，它触发导通状态，引发半导体中的电子运动，并开始通过引线的电流流动。

在生物混合晶体管中，丝层被用作绝缘体，当它吸收水分时，它就像凝胶一样携带着里面所含的任何离子(带电分子)。栅极通过重新排列丝凝胶中的离子来触发导通状态。通过改变丝中的离子组成，晶体管的工作就会发生变化，允许它被0到1之间的任何栅极值触发。

Omenetto说:“你可以想象创造电路，利用数字计算中不使用离散二进制电平表示的信息，但可以像模拟计算一样处理可变信息，这种变化是由丝绸绝缘体内部的变化引起的。这开启了将生物学引入现代微处理器计算的可能性。”当然，目前已知的最强大的生物计算机是大脑，它处理各种化学和电子信号的信息。

制造混合生物晶体管的技术挑战在于实现纳米尺度的丝绸加工，即10纳米或不到人类头发直径的万分之一。

工程学院博士后研究员Beom Joon Kim说:“实现了这一点，我们现在可以用与商业芯片制造相同的制造工艺制造混合晶体管。”“这意味着你现在可以制造出10亿辆这样的汽车。”

拥有数十亿个晶体管节点，通过丝绸中的生物过程重新配置连接，可能会导致微处理器像人工智能中使用的神经网络一样运作。“展望未来，人们可以想象集成电路可以自我训练，对环境信号做出反应，并直接在晶体管中记录内存，而不是将其发送到单独的存储中，”Omenetto说。

检测和响应更复杂的生物状态的设备，以及大规模的模拟和神经形态计算尚未被创造出来。Omenetto对未来的机会持乐观态度。“这为电子学和生物学之间的界面开辟了一种新的思考方式，未来将有许多重要的基础发现和应用。”