新闻晨报日发行量 生物电子：国度安全的变革性技能
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1688สล็อต摘录：2024年3月，好意思国陆军大学刊行的双月刊《军事辩驳》（Military Review）上刊登了一篇题为《生物电子：国度安全的变革性技能》的著作。著作先容了生物电子技能的发展布景、发展近况、翌日瞻望、发展过程中碰到退却以及生物电子材过问半导体开拓的勾通情况。本文对该著作进行了详备先容。
弊端词：生物电子技能，半导体
目下的军事系统主要依赖于袖珍电子元件，而生物元件具备进步计算处理后果和速率的后劲，梗概为多种任务材干带来潜在的上风。这些上风包括但不限于因能源需求裁汰而导致的电板载荷减少；热量产生减少而导致的特征放松；自主系统所带来的更具活泼性的响应；以及更高效的数据处理和存储。下一代刀兵系统将愈发由数据驱动，况兼需要较高的算力，而目下的电子元件可能无法提供此类算力。半导体芯片中的晶体管数目正迟缓向其物理极限围聚，这使得无人不晓的摩尔定律（硅基芯片上的晶体管数目每年翻一番）可能不再有用。这其实是一个粗陋的空间容量问题，而大畛域并行处理技能和三维芯片架构都只是治标之说念而非治本之策。下一代微电子技能需要一种全新的方法。
生物结构和有机体梗概结束许多电子和光学开拓的功能，其中包括电子传递；信号的产生、传导和放大；数据分析、整理和储存；以及能源集聚。生物讲话和电子讲话存在较大差距。前者主要由小分子和离子构成，尔后者主要由电子和光子构成，两者所使用的空间和时刻的洽商要领也有所不同。
半导体是军事系统电子大脑的国家栋梁。半导体的电子传递距离较长，其传递距离可能是在各晶体管之间，而生物细胞传递电子的距离相对较短，都是在各分子之间传递。对于生物传感器的早期联系职责东要和谐在将细胞或细胞构成部分固定在雷同于电信光纤的光纤名义或半导体名义上，以应用细胞识别和恢复数千种环境刺激的材干（见图1）。这些刺激包括化学物资、毒素、生物分子、放射、热量和磁场等。更多近期的不雅察联系标明，细胞可能不错被用于电子开拓中，并具备极高的信息处理材干，这一材干可能比硅基系统的处理材干高出许多个数目级，同期其完成每个职责所销耗的能量要少得多。半导体行业协会臆测，2018年半导体行业总产值将卓绝4000亿好意思元，而碳基元件和硅基元件的组合应用可能会让半导体行业迎来精深变革。
图1. 艺术家的生物传感器想法
拜登政府的第14081号行政命令明确敕令“基因工程技能应以编写软件和计算机才略的阵势为细胞编制电路，并可预测地对生物学进行编程。”终末，好意思国于2022年发布的《创造有益于分娩半导体的激发措施和科学法案》（Creating Helpful Incentives to Produce Semiconductors and Science Act）重申了开发先进下一代半导体的弊端进军性。
布景
顶点微生物（Extremophiles）是一种梗概在顶点环境下活命的有机体，此类顶点环境包括极高温或极低温的环境、高放射的环境、低氧气含量环境或者养分物不及的环境。纽约州立大学水牛城分校国度科学基金会生物名义中心的罗伯特·拜尔（Robert Baier）、安妮·梅耶尔（Anne Meyer）和罗伯特·福斯伯格（Robert Forsberg）不雅察到，一种名为“Pseudomonas syzgii”的顶点微生物不错通过将半导体晶体镶嵌细胞膜的阵势来“武装”我方。更令东说念主骇怪的是，在芯片制造过程中，这些细菌在零氧气条款下穿透半导体晶圆并在其中存活了下来（见图2）。这一发现领先被视为半导体制造过程中的一种羞耻问题，但也使相关联系东说念主员产生了一种新的思法，行将生物细胞纳入电子开拓中以提供传统半导体所不具备的更高性能。此外，联系东说念主员还在矿物资中发现了活细菌，这些细菌在如斯顶点的环境中依然保握着完满的生物功能，这标明其极有可能通过电子传递来进行电子通讯，而这又使得制造以有机体为基础的实用生物半导体成为可能。
图2. 活细菌与半导体材料的互相作用
此外，拉尔夫·卡尔文（Ralph Calvin）、保罗·卢格利（Paolo Lugli）和维克多·日诺夫（Victor Zhirnov）指出，活细胞梗概处理多种样式（举例：化学和电学）的输入和输出信息，并能以较低的能耗完成这些计算职责，这是目下的硅基电子系统所无法比较的。一个1立方微米大小的存储和逻辑电路代表一个表面硅基单位，其存储容量为105比特，能耗为10-7瓦，可生成热量为1瓦/立方厘米，梗概容纳300到100000逻辑位。相比之下，一个生物细胞的存储容量为107比特，能耗为10-13瓦，可生成热量为10-6瓦/平时厘米，可容纳卓绝106逻辑位，这使得生物细胞领有6个数目级的能源应用上风。这两者的差距达到了一百万倍。队列对技能的依赖需要大都能源，而生物系统在这方面的后果不错减轻后勤和电板的千里重包袱。
电子技能所濒临的巨浩劫题是如安在进步处理材干的同期降粗劣耗和发烧。生物系统在此领域显明优于传统电子开拓。对于军事系统来说，生物系统在后果和算力方面具有精深上风，况兼在设想防入侵或黑客抨击、自建设电路方面领有极大的后劲。
现时最高水平
目下对于夹杂生物电子开拓的表面聚焦于将活系统中的生化经过用作“生物前端”以进行生物识别，这一过程将与外界环境径直进行互动并与算作“后端”的硅基半导体进行信息分享，而硅基半导体将对数据进行处理。生化经过可在极小的范围内进行，这是半导体开拓无法作念到的。这如故过梗概对环境作念出响应并传递信号，此类信号时常是应用细胞膜结束的离子传输或者细胞内卵白质的激活。在某些情况下，可能会出现神经元间战争传递，即一个细胞通过磁场径直刺激另一个细胞。本文稍后将详备商榷细胞应用导电菌毛（从细胞中伸出的结构纤维）以电流样式传递电子的机制。菌毛可算作细胞组件自己的一部分使用，也可算作独处的电子元件进行制造和使用。当细胞算作与环境互动的元件时，生物前端将会把其信息传输给认真计算、为止和信息存储的半导体后端（见图3）。
图3. 生物信号转导想法图
对翌日的遥远瞻望
在短期内，活细胞或其构成部分将被用于制造生物电子开拓，但此领域的遥远发展要点是设想可编程的非生物（非生命）东说念主造“细胞”，并使其具有生物（生命）细胞的许多功能。这些功能包括感知、信息处理和自我建设。用于描述晶体管中嘈杂电子流的数学模子与用于描述活细胞中生化响应过程的嘈杂分子流的数学模子十分相似，两者都受制于热能源学定律。换句话说，两者都顺从雷同的自然法例，其相似性标明细胞和电子元件不错以可预测和可为止的阵势进行互动。
好意思国国防部先进电子利益共同体（Department of Defense (DOD) Community of Interest for Advanced Electronics）将“生物电子技能”列为翌日值得关怀的技能之一。好意思国国度要领与技能联系院先进制造技能诡计（National Institute for Standards and Technology Advanced Manufacturing Technology Program）于2015年向半导体联系公司（Semiconductor Research Corporation）提供资金，用于发展半导体合成生物技能（简称SemiSynBio）。该神态的任务是使半导体行业和生物技能行业进行互助，以发展节能信息技能。SemiSynBio技能的短期运筹帷幄是开发生物自拼装功能，其运行精度远远高于目下的光刻技能。SemiSynBio技能的遥远运筹帷幄是设想出可集成到半导体中的新式东说念主工细胞或其构成部分。2022年，好意思国国度科学基金会（National Science Foundation）公布了第三代SemiSynBio技能，即“用于信息存储的半导体合成生物电路和通讯”。也曾只存在于科幻演义中的生物电子技能期间正在渐渐成为现实。
生物电子技能发展过程中出现问题和退却
目下，好意思国国度和生意界都悉力使诸如半导体制造这么的弊端技能原土化，这对生物电子技能的发展也尤其故意。对于好意思国国防部来说，弊端电子材料和元件供应链中断的可能性十分大。举例，现场可编程门阵列（field programmable gate arrays）和特定应用集成电路险些莫得真确任的第二开头。相比之下，制造生物元件的材料却十分丰富、价钱便宜，而且不错免费获取。
微生物与生物电子开拓。细菌可通过各式生化和电学机制互相雷同，并与物理环境进行交流。已知的许多微生物都具有电活性，况兼不同物种之间存在电子传递，这是生物电子通讯的一种样式。许多细菌还梗概形成生物膜，而细菌之间的电子传递机制使生物膜具有电活性。这些黏糊糊的生物膜施行上是一个细菌群落，群落中的细菌通过交流来编削吐故纳新过程，如滋长、能量分娩、能量使用、废料处理以及养殖。
洛里·扎卡洛夫（Lori Zacharoff）和穆罕默德·纳加尔（Mohamed El-Naggar）提议，电子的多步“高出”不错在生物系统中结束昔日觉得不行能结束的长距离传导，而这标明了解这些生物过程对于设想新一代“活电子元件”至关进军。传统电子技能中的长度洽商要领比细胞系统中的长度洽商要领要大得多；这种互异是前者的不及之处，亦然设想生物电子系统的潜在退却。联系东说念主员觉得，这种电子传输的结构基础是导电菌毛（被称为“电子菌毛”的细胞纤维），微生物进化出这种菌毛来与环境和其他生物体进行互动。有联系东说念主员发现，增多电子菌毛上芳醇族氨基酸（aromatic amino acids）的含量故意于电子传输，这就使得设想者不错通过为止菌毛上此类氨基酸的含量来“支援”电子菌毛的电子特质。德里克·洛夫利（Derek Lovley）指出，东说念主类既然梗概对电子菌毛的因素进行基因工程改良，那么其也可能不错应用细菌制造出“绿色”电子材料，而这些细菌不错通过发酵落拓制取。这些可再生原料还具有可生物降解的优点（见图4）。
谭杨（Yang Tan）等联系东说念主员还应用G. sulfurreducens的导电菌毛来制造“微生物纳米线”。他们用色氨酸（tryptophan）代替羧基终局苯丙氨酸（phenylalanine）和酪氨酸（tyrosine），以对细菌进行基因改良，分娩出了高纵横比（aspect ratio）（极长与极宽之比）的导电纳米线，这种纳米线十分坚固，得当用作电子元件。东说念主类头发的粗细约为70，000纳米，细菌细胞约为1，000纳米，而纳米线惟有几纳米。其他微生物物种，如嗜水气单胞菌（Aeromonas hydrophila），也领有导电丝，这似乎有助于细胞间的交流。劳拉·卡斯特罗（Laura Castro）等联系东说念主员还将合成的酰基高丝氨酸（acyl-homoserine）加入这种纳米线之中，以对其进行了基因改良，况兼提议这些纳米线可用作电子开拓中的生物导体。
带有电子菌毛的微生物数目繁密，对它们进行基因改良相对容易，而且它们具有纳米级结构。这意味着此类自然生物材料资源丰富，并不错为传统电子开拓赋予新的特质。与目下的半导体制造方法相比，分娩这些生物材料对环境所形成的影响不错为止在最小范围内，这亦然生物系统相对于电子元件的另一个上风。
图4. 与电子芯片互动的细菌
将生物电子材过问开拓相勾通
迈克尔·斯特罗西奥（Michael Stroscio）和米特拉·杜塔（Mitra Dutta）在一篇始创性的综述论文中描述了许多阵势，这些阵势可用于将生物结构和生物经过与电子开拓勾通起来以提供新功能。他们指出，纳米级别的电子开拓梗概与电活性细胞和亚细胞结构（如离子通说念、受体和其他跨越细胞膜并与外部环境雷同的卵白质）径直战争。在越来越多的科学文件中，跨膜卵白细菌视紫红质（BR）被用作电子开拓的传感元件，即上文所说的“前端”。举例，李玉涛（Yu-Tao Li）等联系东说念主员回来了与生物电子开拓设想相关的细菌视紫红质文件，他们描述了光化学和电化学应用，并对基于细菌视紫红质的高性能夹杂生物电子开拓的新设想进行了预测。
生物元件的极度属性。离子通说念和受体进一步提供了一种“模拟”（analog）材干，即对环境刺激的响应不一定像传统电子开拓那样是“开”或“关”，而是对环境中十分轻微的化学、物理和电扰动作出运转响应，并可对机灵度和特异性进行支援。政策任务越来越依赖精准的智能刀兵，更具体地说，自主系统要求梗概对信噪比极低的输入作念出响应；生物系统的这种模拟功能将梗概结束紧密的分级响应。
莱昂·华雷斯-埃尔南德斯（Leon Juarez-Hernandez）等联系东说念主员描述了细胞与（苯胺）半导体团聚物之间的生物夹杂接口。左证要领电生理学的相关评估，这些细胞仍能保握其功能，该电生理学测量了细胞的电活动，即细胞活力。这些生物夹杂接口还进展出回首特质，即梗概左证先前的电活动（教训）改变功能。这是一种原始的学习和回首模式，雷同于东说念主脑中的赫布回路（Hebbian circuit）想法，即脑细胞回路的明锐进度和响应水平会在使用过程中出现变化，并能“记取”昔日的动作。因此，生物电子元件与东说念主工智能的勾通不错增多自主系统的响应活泼性。华侨科学家蔡少棠（Leon Chua）最早提议了回首电阻器（Memristor）的想法，目下与该想法相关的联系在不断流露。
有机元件娇傲出半导体特质的例子还有许多。无人不晓，有机团聚物不错算作半导体。由两个苯丙氨酸氨基酸（phenylalanine amino acids）构成的小肽具有半导体纳米晶体的光学和电子特质，这一发现王人备出乎联系东说念主员的预思，并为这一领域增添了新的进军联系内容。这些小肽可算作量子点的进军构成部分。量子点是一种具有半导体特质的纳米级晶体，其大小介于介子级和分子级材料之间，“介子”的大小介于分子级材料和日常生活中的大型物体之间。这种肽还能自主拼装形成由数百万量子点构成的纳米管。与基于金属的量子点不同，这些有机量子点是可生物降解的、无毒的，而且由于它们是通过单个肽键形成的，因此制造起来既便宜又容易，处理时对环境的影响也很小。由于现成的氨基酸种类万般，包括二十种自然氨基酸和数百种非典型（东说念主造的，自然界中不存在的）氨基酸，因此联系东说念主员很有可能不错设想出具有传统电子材料所不具备的特质的量子点。
图5. 碳纳米管的分子结构
与由肽构成的量子点一样，许多生物材料也会进行自组织活动。最近，增材制造技能（additive manufacturing）取得了部分发展，这促使联系东说念主员伊始使用喷墨打印技能制造有机半导体。权允政（Yoon Jung Kwon）、朴永东（Yeong Don Park）和李维炯（Wi Hyoung Lee）在其发表的著作中描述了使用喷墨打印和有机半导体油墨打印技能以打印有机场效应晶体管（organic field effect transistor）的过程。有机场效应晶体管具有资本效益高、与大多数塑料兼容、可定制特定机械性能等优点。这使其可应用于在生理环境中职责的开拓，举例用于生理或领会增强的东说念主机接口和假肢，或者用作软体机器东说念主系统的组件。佩特里·伊哈莱宁（Petri Ihalainen）、安尼·麦特宁（Anni Määttänen）和尼克拉斯·桑德勒（Niklas Sandler）发表了一篇综述，先容了卵白质、生物大分子和细胞的卷对卷打印技能和喷墨打印技能，以及这些技能在生物传感器、会诊和DNA测序中的应用。生物与半导体的反向关系也值得瞩目，因为许多有机体已被说明能合成具有私有光学、电子和机械特质的无机金属纳米颗粒半导体材料，这对半导体产业来说可能具有极高的价值。
技能退却。毫无疑问，生物细胞、其构成部分偏激合成物将有助于设想出具有私有性能的新式半导体和其他生物电子开拓，这些新式开拓在信息处理材干、能耗和发烧量方面具有显明上风。在这么一个新的联系领域，联系东说念主员已经发现了几个需要经管的表面和施行问题。其中最具挑战性的问题是（1）怎样将细胞和/或其功能部分精准地固定在半导体内或半导体上；（2）怎样对细胞进行基因工程改良，以引入基因为止开关来为止细胞的活动；（3）怎样协调生物学讲话和电子学讲话在空间洽商要领和时刻洽商要领方面的互异，以使两者梗概进行无缝交流（4）怎样设想出具有设想特质和活细胞功能的王人备东说念主造细胞。合成生物学将是制造王人备详尽生物电子开拓的弊端技能，而这恰是SemiSynBio定约的最终运筹帷幄。此外，这一新联系领域还濒临着一些更为现实的问题，如折服台式半导体制造模拟器的设想参数、进行必要实验所需的小畛域半导体制造模子、以及分析技能的选拔和应用。
论断
半导体行业正在赶快接近传统材料的物理极限，该行业的联系东说念主员已经伊始寻找替代技能，以将更多的算力封装到十分有限的空间中。如上文所述，生物细胞的能耗和产生的热量比硅基半导体少六个数目级。自然这些互异还只是存在于表面之中，但其体现了生物系统相对于电子系统的上风，并凸显了生物细胞与传统半导体的集成具有极高的立异性价值。此外，细胞在同期处理许多输入/输出信息方面具有一定上风，况兼其在自校正和自建设的冗余和反馈回路方面也存在显明上风。事实上，大脑中细胞回路梗概自我支援机灵度，而这是回首的弊端构成部分，亦然上文所述回首电阻器的表面基础。夹杂生物半导体不错赋予计算机网罗自建设材干。
夹杂生物半导体的想法可能属于好意思国国防部技能就绪水平2级（DOD Technical Readiness Level-2），即一个应用已经成型的想法。如前所述，好意思国国度要领与技能联系院的“先进制造技能诡计”为SemiSynBio定约制定的道路图提供了资金辅助，而好意思国国度科学基金会的第三代SemiSynBio技能则是最新一次的技能迭代。基于生物的新式半导体将庸俗应用于自主系统的智能过程为止、化学和生物检测、提妙手体性能的详尽医疗开拓、先进制造过程、基于DNA的回首存储、环境监测和为止之中，并将省俭目下用于冷却管事器集群的大都能源，减少军事系统在战场上的热特征。生物半导体与更庸俗的生物材料领域的勾通，使得联系东说念主员有契机研发出新的生物传感器、其他植入式生物医疗开拓以及基于新式水凝胶（液态因素为水的三维团聚物）的组织支架。
总之，生物系统具有比现有硅基半导体更有用的信息处理材干，这一材干的应用预示着在信息技能范围内又出现了一个新领域。生物电子技能使得设想出一种防入侵和自我建设网罗成为了可能，而微生物调制信号的材干可为该网罗提供抗电磁脉冲的材干。
好意思国国防部最近在合成生物学和生物技能领域的投资使其有材干评估这些技能在军事领域的应用后劲新闻晨报日发行量。翌日的军事系统将受益于生物学、材料科学和物理学领域的精深打破。由此产生的打破性发现可能将为好意思国的安全态势提供更强的作战材干和更好的资本效益。
