你将学习:
- “绿色”蛋白质纳米线如何被培育成神经形态设备。
- 这些电和化学生物相容的纳米线如何被用作传感器。
- 这些生物线也被用来从环境湿度中获取能量。
“绿色”蛋白质衍生的纳米线、从环境湿度中获取的能量、支持生物体基本自我管理的电子微系统——所有这些热按钮都汇集在一个项目中。来自马萨诸塞大学(阿默斯特)的一个研究小组创造了一个电子微系统，它可以智能地响应信息输入，而无需任何外部能量输入，就像一个自主的生命体。这个微系统是由一种可以处理超低电子信号的新型电子器件构成的，它包含了一种可以从周围环境中“凭空”产生电能的新型装置。
这项工作是由电子和计算机工程(ECE)助理教授和生物医学工程兼职教授姚军领导的，他和他的长期合作伙伴，微生物学杰出教授Derek R. Lovley一起工作。
这种蛋白质纳米线是从细菌中提取的。具体来说，这个项目是建立在Lovley多年前发现的微生物Geobacter上的“air - gen”的基础上的，这种微生物从空气中的湿度中获取能量，后来被用来建造能够模仿人类智能的记忆电阻。(忘了什么是“记忆电阻器”?看到“无源组件变活跃”和“记忆电阻使摩尔定律”)。
他们的方法避免了环境刺激和神经形态装置驱动振幅之间的信号不匹配，这限制了功能的多功能性和能源的可持续性。(广义地说，神经形态装置是一种电子模拟电路，模仿神经系统中的神经生物学结构。)该团队的研究通过在生物学水平上实现信号匹配，展示了多功能、自我维持的神经形态界面，利用微生物产生的蛋白质纳米线的独特特性，实现了生物振幅(意味着< 100 mV)信号处理和能量收集。
他们的传感器驱动的集成神经形态系统利用这种微生物产生的蛋白质纳米线的三种最近被认可的特性，实现了生物学水平上的信号匹配。首先，由蛋白质纳米线制成的忆阻器可以由100毫伏以下的信号驱动，从而实现生物振幅神经形态电路和信号处理。其次，用蛋白质纳米线制作的设备可以从环境湿度、持续信号和计算能量中获取电能。最后，这些蛋白质纳米线可以作为电子传感器中的传感元件。
在柔性衬底上制备了蛋白质纳米线忆阻器(图1)．该装置是一个垂直结构，绝缘层(20纳米二氧化硅)夹在顶部(150纳米银)和底部电极(17纳米铂)之间。该结构被嵌入到一层(~500 nm)的蛋白质纳米线薄膜中。在70(±3 mV)时，该状态转变为低电阻，并在接近零偏置时自然放松为高电阻。
1.(a)(左)在聚酰亚胺(PI)衬底上制备的蛋白质纳米线记忆电阻器阵列和(右)器件结构示意图。(下)蛋白质纳米线透射电子显微镜(TEM)图像。请注意，组装膜中的纳米线实际密度要高得多。比例尺，100纳米。(b)在电流符合度的情况下从记忆电阻器切换I - v曲线(ICC)设定在5µA ~ 10 nA之间。(c)蛋白质纳米线记忆电阻器在不同弯曲次数下的器件成品率(上)、阈值开关电压(黑，下)、成型电压(灰，下)。(误差条代表标准偏差)。(d)(左)如图所示的垂直结构的蛋白质纳米线传感器。(e)开路电压(Vo)和短路电流(插入)从垂直的蛋白质纳米线传感器在环境环境(RH ~50%)。(f)输出电压Vo从垂直的蛋白质纳米线传感器在不同的弯曲半径为4-0.1 cm。(g)(左)平面结构的蛋白质纳米线传感器，如图(右)所示。(h)呼吸诱导平面蛋白纳米线传感器产生的电流和电压(嵌入)信号。(i)平面蛋白纳米线传感器在4-0.1 cm不同弯曲半径下的呼吸诱导峰值电流。
该团队还评估了两种由蛋白质纳米线制成的主动传感器:
- 作为蛋白质纳米线薄膜的垂直结构(～5 μ m厚)夹在顶部和底部的金电极之间，然后再进一步嵌入两个聚二甲基硅氧烷(PDMS)层之间，以实现柔性集成。蛋白质纳米线薄膜在环境中建立垂直的水分梯度，以持续收获。
- 蛋白质纳米线是在一对叉指电极上沉积的蛋白质纳米线薄膜(约1µm厚)的平面结构。由于其平面内对称，该器件在周围环境中不产生电压。然而，局部湿度的快速变化(由简单的呼吸引起的不均匀吸湿)导致了瞬间的电峰值。
能源装置并联到一个电阻(Rl)形成一个传感器(图2)．输出电压(Vio相对湿度(RH)由50%增加到60%时，相对湿度(RH)由30 mV以下增加到100 mV以上。V的变化量io来自内部阻力的变化(R年代)中的蛋白质纳米线(如Vio= Rl/ (Rl+ R年代)×Vo)，对湿度非常敏感。因此，这种传感电路起到了主动湿度传感器的作用。
2.(a)电压输出(Vio)从垂直蛋白质纳米线传感器连接负载电阻(Rl)在不同的相对湿度下测量。(b)进给V的电路图io从蛋白质纳米线传感器(D)到由蛋白质纳米线记忆电阻器(M)和电容器(C米)，通过模拟传入电路(下)。(c)膜电位的演化(V米)和电流(I)，当传感器放置在出汗的皮肤上。(d)进给V的电路图io通过模拟触觉传入电路，将触觉感知组件(由蛋白质纳米线器件D和电阻压力传感器制成)转化为人工神经元(下图)。(e) Touch-induced Vio来自触觉感官的部分。(f)膜电位的演化(V米)和电流(I)通过按压压力传感器在人工神经元中。(g)给料电路图io通过模拟光传入电路，将光学感觉元件(由蛋白质纳米线器件D和光学传感器制成)转化为人工神经元(下图)。(h)光致Vio由光学感官组成。(i)膜电位的演化(V米)和电流(I)在人工神经元照明的光学传感器。
此外，该主动湿度传感器连接到由蛋白质纳米线记忆电阻器(M)和电容器C制成的人工神经元米与C米模拟生物细胞中的膜电容。在干燥的皮肤上(RH < 50%)，传感器有一个低的输出，只充电到一个低的膜电位(例如，V米< 10mv)，忆阻器剩余Off。
而当运动后皮肤由干性向出汗性转变(RH ~90%)时，其相对湿度增加Vio带电C米对V递增米．在V米~ 40mv时，忆阻打开，C米很快就出院。因此，人工神经元产生了一个电流尖峰，模仿神经元放电中的动作电位。
作为最后的实验，他们开发了一种蛋白质纳米线传感器，它只对“即时”的RH变化做出反应。这是用来转换呼吸到尖峰信号作为频率驱动的神经形态界面。
该团队总结说，他们能够展示完全自我维持的神经形态界面，这是基于生物振幅信号处理和环境能量收集之间的“婚姻”，两者都是由蛋白质纳米线的独特特性实现的。他们的研究得到了陆军研究实验室和国家科学基金会的支持，在一篇标题简洁的8页论文中详细介绍了这项研究。自我维持的绿色神经形态界面”发表在自然还有20页补充信息发布。
