Transistores híbridos preparam cenário para integração da microeletrônica à biologia

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/11/2023

Não são só transistores: Este é um sensor de respiração completo em um chip, criado usando os transistores híbridos de silício-seda.
[Imagem: Fio Omenetto/Tufts University]

Rumo aos transistores biológicos

O seu telefone celular pode ter mais de 15 bilhões de minúsculos transistores empacotados em seus chips microprocessadores. Esses transistores são inorgânicos, basicamente derivados de rochas e metais, como silício, cobre e ouro, além de compostos isolantes que, juntos, captam uma corrente elétrica e a convertem em 0s e 1s para armazenar e processar informações.

Mas, e se pudéssemos tornar esses componentes eletrônicos fundamentais ao menos parcialmente biológicos, capazes de reagir diretamente a alterações no ambiente, modificando-se como um tecido vivo? Isso abriria fronteiras totalmente novas não apenas para a computação, mas também para a integração entre a tecnologia e os seres vivos.

Pois foi justamente isso o que começaram a fazer agora Beom Kim e seus colegas da Universidade de Tufts, nos EUA, que criaram transistores substituindo o material isolante essencial desses componentes por seda biológica.

A fibroína da seda - a proteína estrutural das fibras de seda - pode ser depositada com precisão em superfícies e facilmente modificada com outras moléculas químicas e biológicas para alterar as suas propriedades, um processo conhecido como funcionalização.

A seda funcionalizada dessa maneira pode captar e detectar uma ampla gama de sinais do corpo ou do ambiente, razão pela qual ela já vem sendo usada como sensor corporal e ambiental. Mas ela pode fazer mais do que isso, e hoje já existe toda uma área de pesquisas conhecida como microeletrônica de seda.

Este sensor, que monitora tudo o que você come ou bebe, foi fabricado usando a mesma plataforma à base de seda.
[Imagem: Fio Omenetto/Tufts University]

Transistores de seda

Foi nessa área que Kim e seus colegas avançaram agora, criando transistores híbridos e usando-os para construir um sensor de respiração altamente sensível e ultrarrápido, com amplas aplicações biomédicas.

Com as modificações adequadas da camada de seda, os transistores híbridos podem permitir que os chips-sensores detectem algumas doenças cardiovasculares e pulmonares, bem como a apneia do sono, ou detectem os níveis de dióxido de carbono e outros gases e moléculas na respiração, que podem auxiliar em diversos diagnósticos médicos - imagine, por exemplo, um sensor colado no dente que monitora tudo o que você come ou bebe.

Ou, usados com plasma sanguíneo, esses circuitos eletrônicos biocompatíveis podem fornecer informações sobre os níveis de oxigenação, níveis de glicose, anticorpos circulantes e muito mais.

Já existem peles eletrônicas que enviam sinais diretamente para o cérebro.
[Imagem: Jiancheng Lai e Weichen Wang/Stanford University]

Como o transístor biológico funciona

Um transístor é basicamente um interruptor elétrico, com um fio metálico entrando e outro saindo; no meio deles fica o material semicondutor, assim chamado porque não é capaz de conduzir eletricidade a menos que seja persuadido a isso. E essa persuasão vem por outro fio elétrico, chamado porta, ou base, separado de tudo o mais por um material isolante.

A energia que entra pela porta atua como a chave para ligar e desligar o transístor: Ela aciona o estado ligado quando sua tensão supera um limite capaz de criar um campo elétrico através do isolador, estimulando o movimento dos elétrons no semicondutor e iniciando o fluxo de corrente através dos dois primeiros eletrodos (também conhecidos como coletor e emissor).

No transístor híbrido-biológico de seda, uma camada de seda é usada como isolante. Quando ela absorve umidade, ela funciona como um gel que carrega quaisquer íons (moléculas eletricamente carregadas) contidos nele. A porta aciona o estado ligado reorganizando os íons no gel de seda. Alterando a composição iônica na seda, a operação do transístor muda, permitindo que ele seja acionado por qualquer valor de porta entre zero e um.

Isso é muito mais parecido com a bioeletricidade observada nos seres vivos, que se baseia não em correntes de elétrons, mas em correntes iônicas.

"Você poderia imaginar a criação de circuitos que fazem uso de informações que não são representadas pelos níveis binários discretos usados na computação digital, mas podem processar informações variáveis como na computação analógica, com a variação causada pela mudança do que está dentro do isolador de seda," disse o professor Fiorenzo Omenetto. "Isso abre a possibilidade de introduzir a biologia na computação dentro dos microprocessadores modernos."

E, diferentemente de grande parte dos protótipos de biotransistores já demonstrados, estes já estão no padrão da microeletrônica avançada, sendo fabricados em dimensões abaixo dos 10 nanômetros.

Esta luva biônica para interfaces humano-máquina e fisioterapia também é feita a partir da eletrônica da seda.
[Imagem: DTU]

Interface entre eletrônica e biologia

Ter bilhões de transistores com conexões reconfiguradas por processos biológicos na seda pode viabilizar microprocessadores que possam atuar como as redes neurais usadas na inteligência artificial. "Olhando para o futuro, poderíamos imaginar circuitos integrados que treinassem sozinhos, respondessem aos sinais ambientais e registrassem a memória diretamente nos transistores, em vez de enviá-la para um armazenamento separado," disse Omenetto.

Mas circuitos que detectem e respondam a estados biológicos mais complexos, bem como as arquiteturas de computação analógica, computação neuromórfica e computação na memória ainda são plataformas em desenvolvimento. O professor Omenetto, contudo, está otimista em relação às oportunidades futuras: "Isto abre uma nova maneira de pensar sobre a interface entre a eletrônica e a biologia, com muitas descobertas e aplicações fundamentais importantes pela frente."

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