Учёные достаточно часто применяют инженерные решения, подсказанные природой, в науке и технике. Используются и вещества/соединения, создаваемые живыми организмами. Ну а сейчас команда учёных решила использовать биологический компонент в микроэлектронике. Речь идёт об использовании шёлка при создании транзисторов. Подробности об этой разработке — под катом.

Что это за проект такой?

Учёные из Университета Тафтса разработали и представили прототип гибридного транзистора на основе шёлка. Точнее, на основе  фиброина. Это фибриллярный белок, выделяемый паукообразными и некоторыми насекомыми и составляющий основу нитей паутины и коконов насекомых.

Фиброин хорош тем, что его относительно просто наносить на поверхности, а также легко модифицировать другими химическими и биологическими молекулами для изменения его свойств. Ставший частью электронного компонента шёлк может реагировать на весьма широкий спектр компонентов тела или окружающей среды. Соответственно, будут изменяться и условия работы компонента в зависимости от изменения внешних факторов.

Команда пока пошла по простому пути и разработала на базе гибридного компонента высокочувствительный датчик дыхания, который обнаруживает изменения влажности. Датчик очень быстро реагирует на изменение внешних факторов, так что информация предоставляется в режиме реального времени.

Но датчик дыхания — далеко не единственное, что можно разработать на базе гибридных транзисторов. Их можно использовать для обнаружения ряда сердечнососудистых заболеваний, болезней лёгких, определять концентрацию углекислого газа и других химических соединений. Авторы проекта считают, что на базе гибридных компонентов можно создать точное и быстрое диагностическое оборудование.

При этом компоненты на базе фиброина могут быть незаметными и очень маленькими. Датчики можно размещать на коже в виде татуировок или же размещать небольшой датчик на зубе/зубах. Такие системы могут следить за здоровьем пользователя, оперативно выявляя проблемы. Одно из достоинств такой системы — оперативное выявление инфекционных заболеваний, причём на ранней стадии.

Как всё это работает?

В целом принцип тот же, что и у транзисторного ключа. У таких ключей два основных состояния: разомкнутое, ему соответствует режим отсечки транзистора (VT — закрыт), и замкнутое, характеризуется режимом насыщения или режимом, приближённом к нему. В течение всего процесса переключения ТК работает в активном режиме.

В качестве примера можно взять обычный биполярный транзистор. Так, если на его базе нет напряжения относительно эмиттера, ключ закрыт, ток через него не поступает. Всё напряжение питания — на коллекторе.

Как только на базу транзистора поступает управляющий сигнал, то ключ открывается, начинает течь ток, и происходит падение напряжения на внутреннем сопротивлении коллектора, затем напряжение на коллекторе, а с ним и напряжение на выходе схемы снижается до низкого уровня.

Что касается гибридных транзисторов, то здесь открытие и закрытие ключа управляется слоем фиброина. При насыщении белка влагой ключ открывается. При отсутствии порогового насыщения ключ закрыт. Принцип, в общем-то, аналогичный. Но в этом случае могут быть и промежуточные значения с разными характеристиками сигнала, т. е. не только «0» или «1». Соответственно, появляется больше возможностей по получению информации о системе, в которой такой компонент или его группа размещены.

«Можно представить себе создание систем, использующих информацию, которая не представлена дискретными двоичными уровнями, применяемых в цифровых вычислениях. Вместо этого они могут обрабатывать динамически меняющийся сигнал с “шелковых” транзисторов, на который влияют внешние факторы», — комментируют результаты работы учёные.

Команда смогла достичь хороших результатов в плане миниатюризации своих систем. Так, основной задачей была работа на наноуровне, со слоями толщиной до 10 нм. Учёным это удалось, теперь они планируют наладить тестовое производство гибридных транзисторов с использованием тех же производственных процессов, что используются для коммерческого производства обычных компонентов. Они, по словам учёных, могут работать как в обычном режиме, так и в расширенном — «биологическом».

Разработчики считают, что на базе таких компонентов можно создать даже микропроцессоры, которые будут самообучаемыми, реагировать на различные факторы окружающей среды и соответствующим образом реагировать. Также в таких чипах возможна запись информации непосредственно в транзисторы.  Речь фактически идёт о нейроморфных чипах.

Чуть подробнее о таких компонентах

В нейроморфных чипах роль нейронов играют транзисторы. Есть здесь и аналог аксонов, сигналы с которых могут поступать на вход других элементов, изменяя их состояние.

Отдельные транзисторы в нейромфорном чипе объединяются между собой по модели спайковых сетей (Spiking neural network, SNN). В ходе работы SNN передают сигналы аналогично тому, как они передаются в мозге. При этом реализуются процессы обучения с перераспределением синапсов между нейронами в ответ на стимулы.

Соответственно, чипы можно «обучать», используя для решения самых разных задач, включая распознавание запахов, детекцию речи, отслеживание параметров организма и т. п. Теоретически также можно создать сложную систему, которая способна одновременно реагировать на запахи, изображение и другие внешние факторы.

Примеры нейроморфных чипов есть, один из наиболее продвинутых — USB-система Intel Kapoho Bay с двумя процессорами Loihi содержит 262 тыс. нейронов. По словам разработчиков, этого вполне достаточно для распознавания жестов, чтения шрифта Брайля, детекции запахов и т. п. Используя такую систему, учёные из Intel Labs и Корнельского университета разработали аналог системы обоняния человека. Так, им удалось научить систему распознавать признаки наличия в воздухе паров ацетона, аммиака и 8 других вредных веществ.

Используя фиброин, можно удешевить производство нейроморфных чипов, сделать их более функциональными и чувствительными. Конечно, это дело не сегодняшнего и не завтрашнего дня, но если работа продолжится, то реализация такой идеи вполне возможна.