塔夫茨大學Silklab 實驗室的一個團隊利用生物絲作為絕緣材料開發出了晶體管，使其能夠像活體組織一樣與環境相互作用。這些混合晶體管可以檢測各種物質和狀況，有可能為健康監測和計算帶來革命性的變化。透過改變蠶絲絕緣體的離子成分，這些電晶體可以處理可變訊息，類似於模擬計算。微處理器技術的這項突破可能會帶來自我訓練微處理器以及電子學與生物學之間的新介面。

微處理器規模的電晶體可以檢測生物狀態和環境並做出反應。您的手機微處理器晶片中可能裝有超過150 億個微小電晶體。電晶體由矽、金和銅等金屬以及絕緣體組成，它們共同接收電流並將其轉換為1 和0，從而傳遞訊息並儲存訊息。晶體管材料是無機材料，基本上來自岩石和金屬。

但是，如果能讓這些基本電子元件具有部分生物特性，能夠直接對環境做出反應，並像活體組織一樣改變呢？塔夫茨大學Silklab 實驗室的一個團隊就是這樣做的，他們用生物蠶絲代替絕緣材料製造出了電晶體。他們最近在科學期刊《先進材料》上報告了自己的研究成果。

蠶絲纖維素–蠶絲纖維的結構蛋白可以精確地沉積在表面上，並且很容易用其他化學和生物分子對其進行修飾，從而改變其特性。以這種方式功能化的蠶絲可以從人體或環境中拾取並檢測多種成分。

利用生物-矽混合電子技術製造的呼吸感測器，混合生物晶體管會根據環境中的氣體和其他分子改變其電子行為。資料來源：塔夫茨大學Fio Omenetto

健康監測設備的進步

團隊首次展示的原型設備使用混合晶體管製造了高靈敏度和超快呼吸感測器，可檢測濕度變化。對絲層的進一步改良可使設備能夠檢測某些心血管和肺部疾病以及睡眠呼吸暫停，或捕捉呼吸中的二氧化碳水平及其他氣體和分子，從而提供診斷資訊。如果與血漿一起使用，它們有可能提供氧合和葡萄糖水平、循環抗體等資訊。

在開發混合晶體管之前，Frank C. Doble 工程學教授Fiorenzo Omenetto 領導的Silklab 實驗室已經利用纖維素製造了生物活性油墨，用於可檢測環境或身體變化的織物、可置於皮下或牙齒上監測健康和飲食的感測紋身，以及可列印在任何表面檢測病原體（如導致COVID-19的冠狀病毒）的感測器。

電晶體是一個簡單的電氣開關，一根金屬導線輸入，另一根導線輸出。導線之間是半導體材料，之所以稱之為半導體材料，是因為除非經過哄騙，否則它無法導電。另一個被稱為”閘極”的電子輸入源被絕緣體隔開。柵極是開啟和關閉電晶體的”鑰匙”。當閾值電壓（我們稱之為”1″）在絕緣體上產生電場時，它就會觸發導通狀態，從而引發半導體中的電子運動，使電流開始流過導線。

在生物混合電晶體中，蠶絲層被用作絕緣體，當它吸收水分時，就會像凝膠一樣攜帶其中的離子（帶電分子）。閘極透過重新排列絲膠中的離子來觸發導通狀態。透過改變蠶絲中的離子成分，電晶體的工作狀態也會隨之改變，從而使其能夠被介於0 和1 之間的任何閘極值觸發。

計算與生物融合的未來

Omenetto說：”你可以想像，創建的電路可以利用數位計算中使用的離散二進制電平所無法表示的信息，但可以像模擬計算那樣處理可變信息，而變化是由改變蠶絲絕緣體內部的成分引起的。這為在現代微處理器中將生物學引入計算提供了可能。當然，已知最強大的生物計算機是大腦，它通過不同程度的化學和電信號處理信息。”

創建混合生物晶體管的技術挑戰在於實現奈米級的絲綢處理，小到10 奈米或人類頭髮直徑的不到1/10000。工程學院博士後研究員Beom Joon Kim 說：”在實現這一目標後，我們現在可以用與商業晶片製造相同的製造工藝來製造混合電晶體。這意味著我們可以用現在的能力製造出十億個這樣的電晶體”.

讓數十億個電晶體節點透過絲綢中的生物過程重新配置連接，可以製造出像人工智慧中使用的神經網路一樣的微處理器。Omenetto說：”展望未來，我們可以想像，集成電路可以進行自我訓練，對環境信號做出反應，並直接在晶體管中記錄記憶，而不是將其發送到單獨的記憶體中。”

檢測和響應更複雜生物狀態的設備，以及大規模模擬和神經形態計算，都有待開發。Omenetto對未來的機會持樂觀態度。他說：”這開闢了電子學與生物學界面的新思路，未來將有許多重要的基礎發現和應用。”