टफ्ट्स यूनिवर्सिटी के सिल्कलैब की एक टीम ने बायोसिल्क को एक इन्सुलेशन सामग्री के रूप में उपयोग करके ट्रांजिस्टर विकसित किया है, जो इसे जीवित ऊतक की तरह पर्यावरण के साथ बातचीत करने की अनुमति देता है। ये हाइब्रिड ट्रांजिस्टर विभिन्न प्रकार के पदार्थों और स्थितियों का पता लगा सकते हैं, जो संभावित रूप से स्वास्थ्य निगरानी और कंप्यूटिंग में क्रांतिकारी बदलाव ला सकते हैं। रेशम इन्सुलेटर की आयनिक संरचना को बदलकर, ये ट्रांजिस्टर एनालॉग कंप्यूटिंग के समान परिवर्तनीय जानकारी को संसाधित कर सकते हैं। माइक्रोप्रोसेसर प्रौद्योगिकी में इस सफलता से स्व-प्रशिक्षण माइक्रोप्रोसेसर और इलेक्ट्रॉनिक्स और जीव विज्ञान के बीच नए इंटरफेस को बढ़ावा मिल सकता है।
माइक्रोप्रोसेसर-स्केल ट्रांजिस्टर जैविक स्थितियों और वातावरण का पता लगा सकते हैं और उन पर प्रतिक्रिया कर सकते हैं। आपके फ़ोन के माइक्रोप्रोसेसर चिप में संभवतः 15 बिलियन से अधिक छोटे ट्रांजिस्टर हैं। ट्रांजिस्टर सिलिकॉन, सोना और तांबे जैसी धातुओं से बने होते हैं, और इंसुलेटर जो विद्युत प्रवाह प्राप्त करने के लिए एक साथ काम करते हैं और जानकारी को प्रसारित करने और संग्रहीत करने के लिए इसे एक और शून्य में परिवर्तित करते हैं। ट्रांजिस्टर सामग्री अकार्बनिक सामग्री हैं, जो मूल रूप से चट्टानों और धातुओं से प्राप्त होती हैं।
लेकिन क्या होगा अगर इन बुनियादी इलेक्ट्रॉनिक घटकों को आंशिक रूप से जैविक बनाया जा सके, जो सीधे अपने पर्यावरण पर प्रतिक्रिया करने और जीवित ऊतक की तरह बदलने में सक्षम हों? टफ्ट्स यूनिवर्सिटी के सिल्कलैब की एक टीम ने ऐसा ही किया, इन्सुलेट सामग्री के बजाय जैविक रेशम का उपयोग करके ट्रांजिस्टर बनाया। उन्होंने हाल ही में वैज्ञानिक पत्रिका एडवांस्ड मटेरियल्स में अपने निष्कर्षों की सूचना दी।
रेशम सेलूलोज़ - रेशम के रेशों के संरचनात्मक प्रोटीन को सतहों पर सटीक रूप से जमा किया जा सकता है और उनके गुणों को बदलने के लिए अन्य रासायनिक और जैविक अणुओं के साथ आसानी से संशोधित किया जा सकता है। इस तरह से क्रियाशील रेशम मानव शरीर या पर्यावरण से विभिन्न प्रकार के घटकों को उठा सकता है और उनका पता लगा सकता है।
स्वास्थ्य निगरानी उपकरणों में प्रगति
प्रोटोटाइप डिवाइस के टीम के पहले प्रदर्शन में अत्यधिक संवेदनशील और अल्ट्राफास्ट सांस सेंसर बनाने के लिए हाइब्रिड ट्रांजिस्टर का उपयोग किया गया है जो आर्द्रता में परिवर्तन का पता लगा सकता है। रेशम की परत में और सुधार से उपकरण कुछ हृदय और फेफड़ों की बीमारियों के साथ-साथ स्लीप एपनिया का पता लगाने में सक्षम हो सकते हैं, या नैदानिक जानकारी प्रदान करने के लिए सांस लेने में कार्बन डाइऑक्साइड के स्तर और अन्य गैसों और अणुओं को पकड़ सकते हैं। यदि प्लाज्मा के साथ उपयोग किया जाता है, तो उनमें ऑक्सीजनेशन और ग्लूकोज स्तर, परिसंचारी एंटीबॉडी और बहुत कुछ के बारे में जानकारी प्रदान करने की क्षमता होती है।
हाइब्रिड ट्रांजिस्टर विकसित करने से पहले, इंजीनियरिंग के फ्रैंक सी. डोबल प्रोफेसर फियोरेंज़ो ओमेनेटो के नेतृत्व में सिल्कलैब प्रयोगशाला ने कपड़ों के लिए बायोएक्टिव स्याही बनाने के लिए सेलूलोज़ का उपयोग किया है जो पर्यावरण या शरीर में होने वाले परिवर्तनों का पता लगा सकता है, स्वास्थ्य और आहार की निगरानी के लिए त्वचा के नीचे या दांतों पर लगाए जा सकने वाले टैटू को महसूस कर सकता है, और सेंसर जो किसी भी सतह पर मुद्रित किया जा सकता है ताकि सीओवीआईडी -19 का कारण बनने वाले कोरोनवायरस जैसे रोगजनकों का पता लगाया जा सके।
ट्रांजिस्टर एक साधारण विद्युत स्विच है जिसमें एक धातु का तार अंदर और दूसरा तार बाहर होता है। तारों के बीच एक अर्धचालक पदार्थ होता है, इसे इसलिए कहा जाता है क्योंकि यह तब तक बिजली का संचालन नहीं कर सकता जब तक कि इसे सहलाया न जाए। इलेक्ट्रॉन इनपुट का एक अन्य स्रोत, जिसे "गेट" कहा जाता है, एक इन्सुलेटर द्वारा अलग किया जाता है। गेट वह "कुंजी" है जो ट्रांजिस्टर को चालू और बंद करती है। जब एक थ्रेसहोल्ड वोल्टेज (आइए इसे "1" कहते हैं) एक इन्सुलेटर में एक विद्युत क्षेत्र बनाता है, तो यह एक चालन स्थिति को ट्रिगर करता है, जिससे अर्धचालक में इलेक्ट्रॉन आंदोलन तार के माध्यम से प्रवाहित होना शुरू हो जाता है।
बायोहाइब्रिड ट्रांजिस्टर में, रेशम की परत को एक इन्सुलेटर के रूप में उपयोग किया जाता है, और जब यह पानी को अवशोषित करता है, तो यह एक जेल की तरह काम करता है, जो आयनों (आवेशित अणुओं) को अपने भीतर ले जाता है। गेट सेरिसिन में आयनों को पुनर्व्यवस्थित करके एक प्रवाहकीय स्थिति को ट्रिगर करता है। रेशम की आयनिक संरचना को बदलने से, ट्रांजिस्टर की ऑपरेटिंग स्थिति बदल जाती है, जिससे इसे 0 और 1 के बीच किसी भी गेट मान द्वारा ट्रिगर किया जा सकता है।
कंप्यूटिंग और जीवविज्ञान अभिसरण का भविष्य
"आप ऐसे सर्किट बनाने की कल्पना कर सकते हैं जो उन सूचनाओं का शोषण कर सकते हैं जिन्हें डिजिटल कंप्यूटिंग में उपयोग किए जाने वाले असतत बाइनरी स्तरों द्वारा दर्शाया नहीं जा सकता है, लेकिन एनालॉग कंप्यूटिंग जैसी परिवर्तनीय जानकारी को संसाधित कर सकते हैं, जहां परिवर्तन रेशम इन्सुलेटर के अंदर संरचना को बदलने के कारण होते हैं," ओमेनेटो ने कहा। "इससे आधुनिक माइक्रोप्रोसेसरों में कंप्यूटिंग में जीव विज्ञान को शामिल करने की संभावना खुलती है। बेशक, सबसे शक्तिशाली ज्ञात जैविक कंप्यूटर मस्तिष्क है, जो विभिन्न डिग्री तक रासायनिक और विद्युत संकेतों के माध्यम से जानकारी संसाधित करता है।"
हाइब्रिड बायोट्रांसिस्टर्स बनाने में तकनीकी चुनौती रेशम के नैनोस्केल प्रसंस्करण को प्राप्त करना है, जो 10 नैनोमीटर जितना छोटा या मानव बाल के व्यास 1/10,000 से कम है। "इसे हासिल करने के बाद, अब हम वाणिज्यिक चिप निर्माण के समान विनिर्माण प्रक्रिया का उपयोग करके हाइब्रिड ट्रांजिस्टर बना सकते हैं। इसका मतलब है कि हम अपनी वर्तमान क्षमताओं के साथ इनमें से एक अरब ट्रांजिस्टर बना सकते हैं," स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग में पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता बीओम जून किम ने कहा।
अरबों ट्रांजिस्टर नोड्स को रेशम में जैविक प्रक्रियाओं के माध्यम से अपने कनेक्शन को पुन: कॉन्फ़िगर करने की अनुमति देने से कृत्रिम बुद्धिमत्ता में उपयोग किए जाने वाले तंत्रिका नेटवर्क जैसे माइक्रोप्रोसेसर बनाए जा सकते हैं। ओमेनेटो ने कहा, "आगे बढ़ते हुए, हम कल्पना कर सकते हैं कि एकीकृत सर्किट पर्यावरणीय संकेतों पर प्रतिक्रिया करने और यादों को एक अलग मेमोरी में भेजने के बजाय सीधे ट्रांजिस्टर में रिकॉर्ड करने के लिए खुद को प्रशिक्षित कर सकते हैं।"
अधिक जटिल जैविक अवस्थाओं के साथ-साथ बड़े पैमाने पर सिमुलेशन और न्यूरोमॉर्फिक कंप्यूटिंग का पता लगाने और प्रतिक्रिया देने वाले उपकरण अभी तक विकसित नहीं हुए हैं। ओमेनेटो भविष्य के अवसरों को लेकर आशावादी है। उन्होंने कहा: "यह इलेक्ट्रॉनिक्स और जीव विज्ञान के बीच इंटरफेस पर नए विचारों को खोलता है, और भविष्य में कई महत्वपूर्ण बुनियादी खोजें और अनुप्रयोग होंगे।"