塔夫茨大学 SilklMRjJqvdXVab 实验室的一个团队利用生物丝作为绝缘材料开发出了晶体管，使其能够像活体组织一样与196世界之最环境相互作用。这些混合晶体管可以检测各种物质和状况，有可能为健康监测和计算带来革命性的变化。通过改变蚕丝绝缘体的离子成分，这些晶体管可以处理可变信息，类似于模拟计算。微处理器技术的这一突破可能会带来自我训练微处理器以及电子学与生物学之间的新接口。

微处理器规模的晶体管可以检测生物状态和环境并做出反应。您的手机微处理器芯片中可能装有超过 150 亿个微小晶体管。晶体管由硅、金和铜等金属以及绝缘体组成，它们共同接收电流并将其转换为 1 和 0，从而传递信息并存储信息。晶体管材料是无机材料，基本上来自岩石和金属。

但是，如果能让这些基本电子元件具有部分生物特性，能够直接对环境做出反应，并像196世界之最活体组织一样发生变化呢？塔夫茨大学 Silklab 实验室的一个团队就是这样做的，他们用生物蚕丝代替绝缘材料制造出了晶体管。他们最近在科学杂志《先进材料》上报告了自己的研究成果。

蚕丝纤维素--蚕丝纤维的结构蛋白可以精确地沉积在表面上，并很容易用其他化学和生物分子对其进行修饰，从而改变其特性。以这种方式功能化的蚕丝可以从人体或环境中www.196nk.cn拾取并检测多种成分。

利用生物-硅混合电子技术制造的呼吸传感器，混合生物晶体管会根据环境中的气体和其他分子改变其电子行为。资料来源：塔夫茨大学 Fio Omenetto

健康监测设备的进步

该团队首次展示的原型设备使用混合晶体管制造了高灵敏度和超快呼吸传感器，可检测湿度变化。对丝层的进一步改良可使设备能够检测某些心血管和肺部疾病以及睡眠呼吸暂停，或捕捉呼吸中的二氧化碳水www.196nk.cn平及其他气体和分子，从而提供诊断信息。如果与血浆一起使用，它们有可能提供氧合和葡萄糖水平、循环抗体等信息。

在开发混合晶体管之前，Frank C. Doble 工程学教授 Fiorenzo Omenetto 领导的 Silklab 实验室已经利用纤维素制造了生物活性油墨，用于可检测环境或身体变化的织物、可置于皮下或牙齿上监测健康和饮食的传感纹身，以及可打印在任何表面检测病原体（如导致COVID-19的冠状病毒）的传感器。

晶体管是一个简单的电气开关，一根金属导线输入，另一根导线输出。导线之间是半导体材料，之所以称之为半导体材料，是因为除非经过哄骗，否则它无法导电。另一个被称为"栅极"的电子输入源被绝缘体隔开。栅极是开启和关闭晶体管的"钥匙"。当阈值电压（我们称之为"1"）在绝缘体上产生电场时，它就会触发导通状态，从而引发半导体中的电子运动，使电流开始流过导线。

在生物混合晶体管中，蚕丝层被用作绝缘体，当它吸收水分时，就会像凝胶一样携带其中的离子（带电分子）。栅极通过重新排列丝胶中的离子来触发导通状态。通过改变蚕丝中的离子成分，晶体管的工作状态也会随之改变，从而使其能够被介于 0 和 1 之间的任何栅极值触发。

计算与生物融合的未来

Omenetto说："你可以想象，创建的电路可以利用数字计算中使用的离散二进制电平所无法表示的信息，但可以像模拟计算那样处理可变信息，而变化是由改变蚕丝绝缘体内部的成分引起的。这为在现代微处理器中将生物学引入计算提供了可能。当然，已知最强大的生物计算机是大脑，它通过不同程度的化学和电信号处理信息。"

创建混合生物晶体管的技术挑战在于实现纳米级的丝绸处理，小到 10 纳米或人类头发直径的不到 1/10000。工程学院博士后研究员 Beom Joon Kim 说："在实现这一目标后，我们现在可以用与商业芯片制造相同的制造工艺来制造混合晶体管。这意味着我们可以用现在的能力制造出十亿个这样的晶体管"。

让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，可以制造出像人工智能中使用的神经网络一样的微处理器。Omenetto说："展望未来，我们可以想象，集成电路可以进行自我训练，对环境信号做出反应，并直接在晶体管中记录记忆，而不是将其发送到单独的存储器中。"

检测和响应更复杂生物状态的设备，以及大规模模拟和神经形态计算，都有待开发。Omenetto对未来的机遇持乐观态度。他说："这开辟了电子学与生物学界面的新思路，未来将有许多重要的基础发现和应用。"