Poprvé výzkumníci demonstrují umělý organický neuron, nervovou buňku, kterou lze integrovat s živou rostlinou a umělou organickou synapsí. Neuron i synapse jsou vyrobeny z tištěných organických elektrochemických tranzistorů.
Při připojení k masožravé mucholapce Venuše mohou elektrické impulzy z umělé nervové buňky způsobit uzavření listů rostliny, ačkoli do pasti nevnikla žádná moucha. Organické polovodiče mohou vést jak elektrony, tak ionty, čímž pomáhají napodobovat iontový mechanismus generování pulzů (akčního potenciálu) v rostlinách. V tomto případě může malý elektrický impuls menší než 0,6 V indukovat akční potenciály v rostlině, což následně způsobí uzavření listů.
„Vybrali jsme mucholapka Venus, abychom mohli jasně ukázat, jak můžeme řídit biologický systém pomocí umělého organického systému a přimět je komunikovat stejným jazykem,“říká Simone Fabiano, docentka a hlavní řešitelka v oboru organické nanoelektronika v Laboratoři organické elektroniky, Linköping University, Campus Norrköping.
V roce 2018 se výzkumná skupina na Univerzitě v Linköpingu stala první, která vyvinula komplementární a tisknutelné organické elektrochemické obvody – tedy s polymery typu n i typu p, které vedou záporné a kladné náboje. To umožnilo postavit tištěné komplementární organické elektrochemické tranzistory. Skupina následně optimalizovala organické tranzistory tak, aby je bylo možné vyrábět v tiskařských lisech na tenké plastové fólii. Na jeden plastový substrát lze vytisknout tisíce tranzistorů. Spolu s výzkumníky v Lundu a Göteborgu skupina použila tištěné tranzistory k emulaci neuronů a synapsí biologického systému. Výsledky byly publikovány v časopise Nature Communications.
„Poprvé využíváme schopnost tranzistoru přepínat na základě koncentrace iontů k modulaci frekvence špiček,“říká Padinhare Cholakkal Harikesh, postdoktorandský výzkumník z Laboratoře organické elektroniky. Špičkový kmitočet dává signál, který způsobí reakci biologického systému.
„Také jsme ukázali, že spojení mezi neuronem a synapsí má chování při učení, které se nazývá Hebbovské učení. Informace se ukládají v synapsi, díky čemuž je signalizace stále efektivnější,“říká Simone Fabiano.
Doufáme, že umělé nervové buňky lze použít pro citlivé lidské protézy, implantovatelné systémy pro zmírnění neurologických onemocnění a měkkou inteligentní robotiku.
"Vyvinuli jsme neurony na bázi iontů, podobné našim vlastním, které lze připojit k biologickým systémům. Organické polovodiče mají řadu výhod – jsou biokompatibilní, biologicky odbouratelné, měkké a tvarovatelné. Vyžadují pouze nízké napětí fungovat, což je zcela neškodné jak pro rostliny, tak pro obratlovce,“vysvětluje Chi-Yuan Yang, postdoktorandský výzkumník v Laboratoři organické elektroniky.
Výzkum finančně podpořily mimo jiné Nadace Knuta a Alice Wallenbergových, Švédská rada pro výzkum, Švédská nadace pro strategický výzkum a Strategická výzkumná oblast švédské vlády v materiálové vědě na funkčních materiálech na Univerzitě Linko?ping.
