p Em alguns círculos, memristores (de "resistor de memória, "como cunhado por Leon Chua em um artigo de 1971 descrevendo a teoria memristiva) estão na moda - e por um bom motivo:como elementos de circuito que" lembram "a quantidade de corrente que passou por eles no passado e mostram grande flexibilidade funcional, memristores são promissores para aplicações tão diversas quanto sinapses artificiais, memória e sensores em nanoescala, e, eventualmente, uma nova classe de computadores com base na arquitetura neuromórfica. p Ao mesmo tempo, os materiais que tornam os memristores (e dispositivos eletrônicos em geral) possíveis são geralmente rígidos na estrutura e podem nunca operar na água. Isso significa que alguns dos usos mais promissores da tecnologia de memristor - como na Vivo sensores e robôs de resgate oceânicos - não são viáveis ​​sem a necessidade de proteção do ambiente líquido em que operam.

p O melhor de todos os mundos eletrônicos possíveis, então, teria a funcionalidade baseada em íons de memristores incorporados em um material hidrofílico flexível. Acontece que isso - e potencialmente muito mais - é precisamente o que os pesquisadores do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular da Universidade Estadual da Carolina do Norte demonstraram. Prof. Orin Velev, Prof. Michael Dickey, e estudantes de graduação Hyung-Jun Koo e Ju-Hee So, desenvolveram uma nova classe de memristores facilmente fabricados com base inteiramente nos chamados matéria mole - hidrogéis dopados com polieletrólitos imprensados ​​com eletrodos de metal líquido - que operam usando condutância iônica em sistemas aquosos ao invés do transporte convencional de elétrons.

p Além disso, em ser capaz de operar na água, a nova matéria mole à base de gel difere significativamente de muitos eletrônica de matéria mole esforços que usam semicondutores de polímero, mas não são compatíveis com a água.

p Em essência, isso sugere que, além de ter o potencial de realizar estruturas neuromórficas baseadas em memristor, o núcleo de hidrogel de polissacarídeo desses dispositivos é biocompatível, poderia possivelmente ter interface com tecidos neurais e outros tecidos vivos, e pode levar a circuitos flexíveis tridimensionais e seus na Vivo operações.

p O trabalho anterior de Velev se concentrou em fotovoltaicos à base de gel, diodos e outros dispositivos - mas sua desvantagem eram os eletrodos rígidos usados ​​como contatos. Atualmente, Contudo, a equipe de pesquisa está estudando um metal líquido moldável. “Originalmente, pensamos em combinar o metal com os géis para fazer um dispositivo completamente de materiais macios, semelhante a Jell-O, ”Brinca Dickey. “O que descobrimos é que o ambiente de gel e o óxido que se forma no metal podem funcionar sinergicamente para formar a memória. Depois de fazer essa observação, o principal desafio foi elucidar o mecanismo exato - que nossos alunos bastante brilhantes descobriram com alguns experimentos muito inteligentes. ”

p Mais especificamente, Dickey continua, “Existem duas questões-chave de pesquisa que abordamos para fazer a tecnologia funcionar. O primeiro foi aprender que a espessura da camada de óxido controla a resistência por meio do dispositivo macio - uma propriedade que usamos para definir sobre e desligado estados que correspondem a estados condutores e resistivos, respectivamente. A segunda foi aprender que poderíamos introduzir assimetria no dispositivo - um requisito para memristores - dopando os géis com polímero para controlar o ambiente químico em torno do metal. ”

p Daqui para frente, Dickey continua, “Esperamos aproveitar o fato de que os géis à base de água do dispositivo são biocompatíveis, e poderia, em princípio, ser integrado com espécies biológicas, como células, enzimas, proteínas, e tecidos. Também não fizemos nenhuma tentativa de otimizar a capacidade de memória em nossos protótipos, que é uma área a ser melhorada. Finalmente, estamos trabalhando para entender os aspectos sutis do mecanismo operacional. ”

p Velev enfatiza que duas áreas principais da futura pesquisa de matéria mole do grupo são biossensores eletroquímicos e atuadores de matéria mole . “Por exemplo, ”Ele explica, “Os atuadores baseados em gel respondem à voltagem externa com movimento biomimético controlável que imita a locomoção da água-viva - e como a água-viva, são à base de água e até biodegradáveis. Isso pode levar ao desenvolvimento de produtos à base de gel robótica suave tecnologia, que teria alguns paralelos com o programa Soft Robotics anterior da DARPA, embora essa semelhança não seja tão intencional quanto surge de um foco compartilhado em ideias futurísticas que são baseadas na imitação da Natureza. Eu também acredito, ”Ele continua, “Que nossas ideias de pesquisa estão próximas de alguns dos objetivos do programa DARPA Programmable Matter, mas não temos suporte nem participamos deste programa - embora esperemos que nos inscrevamos no futuro, depois que tivermos alguns resultados de atuação ”.

p Uma das características mais discutidas do memristor é sua biomimese sináptica. “Computadores de última geração têm dificuldade em imitar o funcionamento do cérebro, ”Dickey observa. “Memristors, por outro lado, são eficazes em imitar sinapses. Se você estiver interessado em apenas imitar a função cerebral, então os memristores de estado sólido seriam mais práticos porque contêm muito mais elementos de memória e são muito mais otimizados neste ponto. Uma das coisas que distinguem nosso trabalho é que o dispositivo se comporta como um memristor e tem outras propriedades semelhantes às do cérebro. A eletrônica convencional tende a ser rígida, 2-D, intolerante à umidade, e operar usando elétrons; o cérebro, em contraste, é macio, 3-D, molhado, e opera usando íons e, além de adotar muitas dessas propriedades, nosso dispositivo é composto de hidrogéis biocompatíveis. ”

p Dickey aponta que, embora a equipe não tenha demonstrado qualquer interface de seus dispositivos de matéria mole com espécies biológicas, e que não está claro se é mesmo possível fazer interface com o cérebro, sua tecnologia “tem muitas das propriedades óbvias que alguém procuraria para esse tipo de interface - incluindo a capacidade de reduzir para 10-100 mícrons de comprimento. Na verdade, ”Ele reconhece, “Acabamos de iniciar um projeto para estudar a interface desses materiais com os neurônios, mas é muito cedo para comentar sobre isso. ”

p Velev também está cautelosamente otimista de que, embora ele não preveja aplicações médicas dos dispositivos de matéria mole no momento, ele concorda que "a interface hipotética com neurônios vivos é possível." A verdadeira força da tecnologia do grupo, ele adiciona, é que “tanto o tecido neuronal quanto a matéria mole usam uma corrente iônica para propagar sinais. No futuro próximo, ”Velev acrescenta, “Prováveis ​​aplicações incluem uma matriz biocompatível avançada - para biomoléculas e células vivas, biossensores, e interfaces com células de mamíferos que não sejam neurônios - imersas em água e fluidos biológicos. Embora não estejamos trabalhando em experimentos envolvendo células vivas no momento, ”Ele conclui, “Temos esperança de que este possa ser um desenvolvimento futuro - potencialmente por meio de novas colaborações e financiamento.”

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