Ponsel Anda mungkin memiliki lebih dari 15 miliar transistor kecil yang dikemas dalam chip mikroprosesornya. Transistor terbuat dari silikon, logam seperti emas dan tembaga, dan isolator yang bersama-sama mengambil arus listrik dan mengubahnya menjadi 1s dan 0s untuk mengkomunikasikan informasi dan menyimpannya. Bahan transistor bersifat anorganik, pada dasarnya berasal dari batuan dan logam.
Namun bagaimana jika Anda dapat menjadikan komponen elektronik dasar ini sebagai bagian biologis, mampu merespons langsung terhadap lingkungan dan berubah seperti jaringan hidup?
Inilah yang dilakukan tim di Tufts University Silklab ketika mereka menciptakan transistor yang menggantikan bahan isolasi dengan sutra biologis. Mereka melaporkan temuan mereka di Advanced Materials .
Fibroin sutra protein struktural serat sutra dapat disimpan secara tepat di permukaan dan mudah dimodifikasi dengan molekul kimia dan biologis lainnya untuk mengubah sifat-sifatnya. Sutra yang difungsikan dengan cara ini dapat menangkap dan mendeteksi berbagai komponen dari tubuh atau lingkungan.
Demonstrasi pertama tim terhadap perangkat prototipe menggunakan transistor hibrida untuk membuat sensor napas yang sangat sensitif dan sangat cepat, yang mendeteksi perubahan kelembapan. Modifikasi lebih lanjut pada lapisan sutra dapat memungkinkan perangkat mendeteksi beberapa penyakit kardiovaskular dan paru-paru, serta apnea tidur, atau mendeteksi kadar karbon dioksida serta gas dan molekul lain dalam napas yang mungkin memberikan informasi diagnostik. Jika digunakan bersama plasma darah, mereka berpotensi memberikan informasi tentang tingkat oksigenasi dan glukosa, antibodi yang bersirkulasi, dan banyak lagi.
Sebelum pengembangan transistor hibrida, Silklab, yang dipimpin oleh Fiorenzo Omenetto, Profesor teknik Frank C. Doble, telah menggunakan fibroin untuk membuat tinta bioaktif untuk kain yang dapat mendeteksi perubahan pada lingkungan atau pada tubuh, dan mendeteksi tato. yang dapat ditempatkan di bawah kulit atau di gigi untuk memantau kesehatan dan pola makan, dan sensor yang dapat dicetak di permukaan apa pun untuk mendeteksi patogen seperti virus yang menyebabkan COVID19.
Bagaimana itu bekerja
Transistor hanyalah sebuah saklar listrik, dengan kabel listrik logam masuk dan satu lagi keluar. Di antara kabel-kabel tersebut terdapat bahan semikonduktor, disebut demikian karena bahan tersebut tidak mampu menghantarkan listrik kecuali jika dibujuk.
Sumber masukan listrik lain yang disebut gerbang dipisahkan dari sumber lain oleh isolator. Gerbang bertindak sebagai "kunci" untuk menghidupkan dan mematikan transistor. Ini memicu keadaan aktif ketika tegangan ambang batas yang kita sebut "1" menciptakan medan listrik melintasi isolator, memicu pergerakan elektron dalam semikonduktor dan memulai aliran arus melalui kabel.
Dalam transistor hibrid biologis, lapisan sutra digunakan sebagai isolator, dan ketika menyerap kelembapan, lapisan tersebut bertindak seperti gel yang membawa ion apa pun (molekul bermuatan listrik) yang terkandung di dalamnya. Gerbang tersebut memicu keadaan dengan mengatur ulang ion-ion dalam gel sutra. Dengan mengubah komposisi ionik pada sutra, operasi transistor berubah, memungkinkannya dipicu oleh nilai gerbang mana pun antara nol dan satu.
“Anda dapat membayangkan membuat sirkuit yang memanfaatkan informasi yang tidak diwakili oleh tingkat biner diskrit yang digunakan dalam komputasi digital, namun dapat memproses informasi variabel seperti dalam komputasi analog, dengan variasi yang disebabkan oleh perubahan apa yang ada di dalam isolator sutra” kata Omenetto. “Hal ini membuka kemungkinan memperkenalkan biologi ke dalam komputasi dalam mikroprosesor modern,” kata Omenetto. Tentu saja, komputer biologis paling kuat yang diketahui adalah otak, yang memproses informasi dengan tingkat sinyal kimia dan listrik yang bervariasi.
Tantangan teknis dalam menciptakan transistor biologis hibrid adalah mencapai pemrosesan sutra pada skala nano, hingga 10 nm atau kurang dari 1/10.000 diameter rambut manusia. “Setelah mencapai hal tersebut, kini kami dapat membuat transistor hibrida dengan proses fabrikasi yang sama dengan yang digunakan untuk pembuatan chip komersial,” kata Beom Joon Kim, peneliti pascadoktoral di School of Engineering. “Ini berarti Anda dapat menghasilkan satu miliar dari teknologi tersebut dengan kemampuan yang tersedia saat ini.”
Memiliki miliaran node transistor dengan koneksi yang dikonfigurasi ulang melalui proses biologis di dalam sutra dapat menghasilkan mikroprosesor yang dapat bertindak seperti jaringan saraf yang digunakan dalam AI. “Ke depan, kita bisa membayangkan sirkuit terpadu yang melatih dirinya sendiri, merespons sinyal lingkungan, dan merekam memori langsung di transistor daripada mengirimkannya ke penyimpanan terpisah,” kata Omenetto.
Perangkat yang mendeteksi dan merespons keadaan biologis yang lebih kompleks, serta komputasi analog dan neuromorfik skala besar masih belum dibuat. Omenetto optimis terhadap peluang masa depan. “Ini membuka cara berpikir baru tentang antarmuka antara elektronik dan biologi, dengan banyak penemuan dan penerapan mendasar yang penting di masa depan.”
