Tehnologiju silicijskih poluvodiča koči temeljno fizičko ograničenje koje sprečava rad tranzistora ispod određenog napona, poznato kao "Boltzmannova tiranija". Kako bi prevladali ovo temeljno ograničenje silicija, istraživači MIT-a osmislili su drugačiji tip trodimenzionalnog tranzistora koristeći jedinstveni skup ultratankih poluvodičkih materijala. Njihovi uređaji s vertikalnim nanožicama širokim samo nekoliko nanometara mogu isporučiti performanse usporedive s najsuvremenijim silicijskim tranzistorima dok učinkovito rade na mnogo nižim naponima od konvencionalnih uređaja.

Kako bi prevladali fizička ograničenja silicija, istraživači su iskoristili drugačiji skup poluvodičkih materijala, galijev antimonid i indijev arsenid, i uređaj dizajnirali koristeći se jedinstvenim fenomenom kvantnog tuneliranja, odnosno sposobnošću elektrona da probiju barijere. Njihov tunelski tranzistor, opisan u časopisu Nature Electronics, iskorištava ovo svojstvo kako bi potaknuo elektrone da prođu kroz energetsku barijeru umjesto da je pređu. 

Svilena nit odjeću pretvara u punjač

Zamislite džemper koji pokreće elektroniku za praćenje vašeg zdravlja ili puni mobitel dok trčite. Ideja je dosad zapinjala na manjku materijala koji stabilno provodi struju, prikladnom za tekstil. No, sad su istraživači Tehnološkog sveučilišta Chalmers u Švedskoj predstavili svilenu nit presvučenu vodljivim plastičnim materijalom koja tekstil pretvara u generator električne energije. Termoelektrični tekstil, opisan u časopisu Advanced Science, pretvara temperaturne razlike između tijela i okolnog zraka u električni potencijal. Povezan na senzor, tekstil može napajati uređaje za praćenje pokreta ili mjerenje otkucaja srca, bez potrebe za baterijama. 

Upotreba polimera ukida potrebu za rijetkim zemnim metalima, uobičajenim u elektronici, kažu istraživači koji su uz pomoć polimera izradili dva termoelektrična generatora: komad tekstila i gumb ušiven koncem. Veći komad tkanine pokazao je oko 6 milivolti pri temperaturnoj razlici od 30 °C. U kombinaciji s pretvaračem napona, teoretski bi se mogao koristiti za punjenje prijenosne elektronike preko USB konektora. Materijal se može prati u perilici, a nakon sedam pranja konac je zadržao dvije trećine svojih vodljivih svojstava. 

Dron s vlastitim 'živčanim sustavom'

Istraživači Sveučilišta Southampton testiraju bespilotnu letjelicu opremljenu vlastitim "živčanim sustavom" izrađenim od optičkih vlakana koji smanjuje potrebu za slijetanjem radi pregleda i održava dron duže u zraku. Sustav koristi jedinstvenu tehniku ​​optičke pjege (optical speckle) koja projicira specifične slike, ovisno o tome što osjeti živčani sustav optičkih vlakana. Ti se podaci mogu protumačiti s pomoću AI algoritama za procjenu zdravlja drona, kažu istraživači.

"Ovo je neka vrsta živčanog sustava za dronove. On šalje informacije u stvarnom vremenu uz pomoć svjetla, čime se izbjegavaju problemi koje elektronički sustavi imaju s interferencijom radijskih frekvencija", objašnjavaju istraživači koji tvrde da njihovo rješenje smanjuje opterećenje zemaljskih posada i osigurava da dronovi rade sigurnije i učinkovitije.

Umjetne biljke pročišćavaju i proizvode električnu energiju

Na Sveučilištu Binghamton već duže istražuju mogućnosti biobaterija koje pokreću bakterije, a sad su eksperimentirali s novom idejom: izradili su umjetne biljke koje se mogu hraniti ugljičnim dioksidom, oslobađati kisik i pritom generirati malo energije. Koristeći pet bioloških solarnih ćelija i njihove fotosintetičke bakterije, prvi su umjetni list izradili iz zabave, a kad su shvatili da koncept ima smisla napravili su i prvu biljku s pet listova. Ova umjetna biljka, opisane u časopisu Advanced Sustainable Systems, koristi unutarnje svjetlo za poticanje fotosinteze i razine ugljičnog dioksida u prostoriji smanjuje do 90 %. Za usporedbu, prirodne biljke te razine smanjuju za samo 10 %. 

Umjetna biljka pritom proizvodi oko 140 mikrovata energije, a istraživači sad namjeravaju poboljšati tehnologiju kako bi postigli minimalnu snagu veću od 1 milivata. U biljku želi integrirati i sustav za pohranu energije, poput litij-ionskih baterija ili superkondenzatora kojima bi se napajali mobiteli i drugi slični uređaji. 

Nosivi uređaji za ljudske stanice

Nosivi uređaji obično mjere otkucaji srca i faze spavanja, a sad su MIT-ovi istraživači razvili i njihove minijaturne pandane koji bi mogli obavljati slične funkcije za pojedinačne stanice unutar tijela. Ovi uređaji podstanične veličine bez baterija, izrađeni od mekanog polimera, dizajnirani su tako da nježno omotaju različite dijelove neurona, poput aksona i dendrita, bez oštećenja stanica, nakon bežičnog aktiviranja svjetlom. Čvrsto obavijajući neuronske procese, mogli bi se koristiti za mjerenje ili modulaciju električne i metaboličke aktivnosti neurona na substaničnoj razini. 

Ovi su uređaji bežični i slobodno lebdeći pa bi se tisuće sićušnih uređaja jednog dana moglo ubrizgati, a zatim neinvazivno pokrenuti uz pomoć svjetla. Istraživači bi precizno kontrolirali kako se nosivi predmeti nježno omataju oko stanica, manipulirajući dozom svjetlosti izvan tijela koja bi prodrla u tkivo i aktivirala uređaje. Umotavanjem aksona koji prenose električne impulse između neurona i drugim dijelovima tijela, ova nosiva oprema mogla bi pomoći u obnavljanju neurona koji se degradiraju kod bolesti poput multiple skleroze. Dugoročno, uređaji bi se mogli integrirati s drugim materijalima kako bi se stvorili sićušni krugovi koji bi mogli mjeriti i modulirati pojedinačne stanice, objašnjavaju istraživači u časopisu Nature Communications Chemistry.

Mačje oči za super vid dronova

Mačke su poznate po tome da vide i danju i noću: tijekom dana vertikalne zjenice u obliku proreza pomažu im da se oštro fokusiraju i smanjuju odsjaj, noću se zjenice šire kako bi omogućile više svjetla, dok reflektirajući sloj tapetum lucidum poboljšava njihov noćni vid, dajući njihovim očima taj poseban sjaj. A sad su istraživači korejskog Instituta za znanost i tehnologiju Gwangju (GIST) dizajnirali novi sustav vida koji koristi naprednu leću i senzore inspirirane mačjim očima. Sustav opisan u časopisu Science Advances uključuje otvor blende nalik prorezu koji poput vertikalne mačje zjenice pomaže filtrirati nepotrebno svjetlo i fokusirati se na ključne objekte, a koristi i poseban reflektirajući sloj koji poboljšava vidljivost u uvjetima slabog osvjetljenja.

"Robotske kamere često imaju problema s uočavanjem objekata u prometnim ili kamufliranim pozadinama, osobito kada se uvjeti osvjetljenja mijenjaju. Naš dizajn to rješava dopuštajući robotima da zamute nepotrebne detalje i fokusiraju se na važne objekte", objašnjavaju istraživači. Ovaj pristup ujedno je i energetski učinkovit jer se oslanja na dizajn leće, a ne na zahtjevnu računalnu obradu. Robotske mačje oči trebale bi, kažu, povećati preciznost dronova, robota i samovozećih vozila, omogućavajući im snalaženje u zamršenim okruženjima i precizno obavljanje izvršavanje zadataka.

Životinjske stanice na solarni pogon

Biolozi su vjerovali da kloroplasti, strukture koje hvataju svjetlost bitne za stanice biljaka i algi, ne mogu funkcionirati unutar životinjskih stanica. No sad su istraživači Sveučilišta u Tokiju uspjeli postići fotosintezu u životinjskim stanicama umetanjem kloroplasta koji stvaraju energiju iz algi u stanice hrčka. Kloroplasti su preživjeli i izvodili fotosintetske procese najmanje dva dana, čime je otvoren put napretku u inženjeringu tkiva.

U studiji su kloroplasti crvenih algi stavljeni u uzgojene stanice hrčka, koje su zatim analizirane tehnikama snimanja poput konfokalne i elektronske mikroskopije. Fluorometrijska mjerenja potvrdila su da kloroplasti učinkovito proizvode energiju unutar svojih novih stanica domaćina, a životinjske stanice koje sadrže kloroplaste čak su pokazale povećanu stopu rasta, što sugerira da ih je proces fotosinteze opskrbio gorivom na bazi ugljika. Istraživači namjeravaju dalje razvijati ove "planimalne" stanice koje bi korisne osobine slične biljnim koristile i u životinjskim stanicama. 

RoBoa: robotska zmija koja spašava živote

Inženjeri Autonomous Systems Laba na ETH Zurich razvili su RoBou, robota nalik zmiji, sposobnog da naraste do 100 metara u dužinu te fleksibilno i učinkovito gmiže kroz uske prostore kao što su cijevi ili kanalizacija. 

RoBoa je opremljena i zvučnikom i mikrofonom za izravnu komunikaciju sa žrtvama u hitnim slučajevima, a detalji će biti predstavljeni na smotri ETH Industry Day @ Open-i koja se krajem mjeseca održava u Kongresnom centru u Zurichu. 

Hidrogelni poluvodiči

Hidrogel je idealan materijal za spajanje elektronike sa živim tkivom jer je mekan, rastezljiv i vodoljubiv kao i samo tkivo. S druge strane poluvodiči, ključni materijali za bioelektroniku kao što su pacemakeri, biosenzori i uređaji za isporuku lijekova, kruti su, lomljivi i ne podnose vodu. No, čini se da je rad istraživača Pritzkerove škole molekularnog inženjeringa (PME) na Sveučilištu u Chicagu, objavljen u časopisu Science, razriješio ovaj izazov. Oni su naime izradili plavičasti gel koji zadržava sposobnost potrebnu za prijenos informacija između živog tkiva i stroja.

Ovaj materijal je istovremeno i poluvodič i hidrogel pa ispunjava sve uvjete za idealno bioelektroničko sučelje. Pa iako su prilikom njegove izrade istraživači na umu prvenstveno imali implantirane medicinske uređaje poput biokemijskih senzora i srčanih elektrostimulatora, materijal bi se mogao iskoristiti i za bolja očitanja s kože ili poboljšanu njegu rana. Hidrogel je, naime, vrlo porozan i omogućava učinkoviti transport različitih vrsta hranjivih tvari i kemikalija što ga čini idealnim materijalom za tkivni inženjering i isporuku lijekova.

Haptički flaster

Inženjeri Sveučilišta Northwestern razvili su novu vrstu nosivog uređaja koji stimulira kožu da isporuči različite složene osjete. Tanak i fleksibilan, nježno prianja uz kožu i, kažu, pruža realističnija i sveobuhvatnija osjetilna iskustva. Pogodan je za igranje i virtualnu stvarnost, no istraživači vjeruju da bi se mogao iskoristiti i u medicini; mogao bi, kažu, pomoći osobama s oštećenjem vida da "osjete" svoju okolinu ili dati povratne informacije osobama s protetskim udovima.

Nova studija, objavljena u časopisu Nature, nadovezuje se na prethodni rad istih istraživača koji su 2019. predstavili "epidermalni VR", sustav povezan s kožom koji osjet dodira prenosi putem niza minijaturnih vibrirajućih pokretača preko velikih područja kože. Njihovi novi minijaturizirani aktuatori za kožu mnogo su sposobniji od tih izvornih, jednostavnih zujalica. Svaki aktuator može pružiti različite osjete, uključujući pritisak, vibracije i okretanje. 

Iako se uređaj napaja iz male baterije, štedi energiju zahvaljujući pametnom "bistabilnom" dizajnu. To znači da može ostati u dva stabilna položaja bez potrebe za stalnim unosom energije. Kad se pokretači pritisnu prema dolje, on pohranjuje energiju u koži i unutarnjoj strukturi uređaja. Kad se aktuatori poguraju prema gore, uređaj koristi malu količinu energije za oslobađanje pohranjene energije. Dakle, uređaj koristi energiju samo kada aktuatori mijenjaju položaj. S ovim energetski učinkovitim dizajnom, uređaj može raditi duže vrijeme s jednim punjenjem baterije.