你的手机可能内置了超过150亿个微小的晶体管，它们构成了微处理器芯片的核心。这些晶体管由硅、黄金、铜等金属以及绝缘材料制成，它们共同接受电流，并将其转化为1和0用来传递信息和存储数据。这些晶体管材料是无机的，主要来源于岩石和金属。

然而，如果您能将这些基本的电子组件与生物融合，使其能够直接响应环境并像活体组织一样进行变化，那该如何呢？

这正是Tufts大学Silklab团队在创造了用生物丝绝缘材料代替的晶体管时所做的事情。他们在《先进材料》中发表了自己的研究结果。

丝素蛋白——丝绸纤维的结构蛋白——可以精确地沉积在表面上，并可以轻松地与其他化学物质和生物分子进行修饰，以改变其性质。以这种方式功能化的丝绸能够接收和探测来自身体或环境的广泛成分。

团队首次展示了一款原型装置，该装置采用了丝素混合晶体管，制作了一款高度敏感且超快速的呼吸传感器，能够探测湿度的变化。

对丝绸层在晶体管中的进一步改进，有可能使设备能够检测某些心血管和肺部疾病，同时还能识别睡眠呼吸暂停症，或者检测呼吸中的二氧化碳水平及其他气体和分子，这些信息或为诊断提供数据。结合血浆使用时，它们还有潜力提供有关氧合水平、血糖、循环抗体等的信息。

在混合晶体管的发展之前，由工程学教授Frank C. Doble领导的Silklab已经利用蚕丝蛋白制作了具有生物活性的油墨，用于制作可以检测环境或人体变化的织物，监测健康和饮食的皮肤下或牙齿上的感应纹身，以及可以在任何表面上打印出来检测类似COVID-19病毒的病原体的传感器。

工作原理

晶体管只不过是一种电气开关，其中有一个金属电引线进入并另一个离开。在这些引线之间，是所谓的半导体材料，因为除非引导，否则它无法传导电流。

另一个电信号输入源，称为门，通过一个绝缘体与其他元器件隔离。门作为“钥匙”，用于控制晶体管的通断。当门电势超过阈值电压，产生了绝缘体间的电场时，它就触发了晶体管的导通状态，使半导体中的电子开始运动，从而引发电流在引线之间流动。

在一种生物杂交晶体管中，使用了一层丝绸作为绝缘层，当它吸收湿气时，它就像一个胶凝体，携带其中所含的任何离子（带电分子）。通过重新排列丝绸胶凝体中的离子，门极触发开态。通过改变丝绸中的离子组成，晶体管的操作就会发生变化，使其能够被介于零和一之间的任意门极值触发。

“您可以想象创建利用在数字计算中使用的离散二进制水平所无法表示的信息的电路，但可以像模拟计算一样处理变量信息，变化是由改变丝绸绝缘体内部所造成的，”Omenetto说道。“这为在现代微处理器中引入生物学进入计算学的可能性打开了大门。”当然，已知最强大的生物计算机是大脑，它使用化学和电信号的不同水平来处理信息。”

在创建混合生物晶体管的技术挑战在于实现纳米尺度的丝绸加工，即在10纳米或小于人类头发直径的1/10,000处进行加工。

“经过努力，我们现在可以利用与商业芯片制造相同的工艺来制造混合型晶体管，”工程学院的博士后研究员Beom Joon Kim表示。“这意味着你可以使用当今可用的技术制造数十亿台这样的晶体管。”

通过丝绸中的生物过程重新配置的数十亿晶体管节点，有可能导致微处理器能够像AI中使用的神经网络那样运作。“展望未来，可以想象到拥有自我训练、能够对环境信号做出响应并直接在晶体管中记录记忆而不是发送到独立存储器的集成电路，”Omenetto说道。

目前，尚未实现检测和响应更复杂生物状态的设备，以及大规模的模拟和神经形态计算。Omenetto对未来的机遇抱有乐观态度。“这开启了一种全新的电子和生物之间界面的思考方式，未来将有许多重要的基础性发现和应用。”