目前的军事系统主要依赖于微型电子元件，而生物元件具备提高计算处理效率和速度的潜力，能够为多种任务能力带来潜在的优势。这些优势包括但不限于因能源需求降低而导致的电池载荷减少；热量产生减少而导致的特征减弱；自主系统所带来的更具灵活性的反应；以及更高效的数据处理和存储。下一代武器系统将愈发由数据驱动，并且需要较高的算力，而目前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量正逐步向其物理极限靠近，这使得众所周知的摩尔定律（硅基芯片上的晶体管数量每年翻一番）可能不再有效。这其实是一个简单的空间容量问题，而大规模并行处理技术和三维芯片架构都只是治标之道而非治本之策。下一代微电子技术需要一种全新的方法。

生物结构和有机体能够实现许多电子和光学设备的功能，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；以及能源采集。生物语言和电子语言存在较大差距。前者主要由小分子和离子组成，而后者主要由电子和光子组成，两者所使用的空间和时间的衡量标准也有所不同。

半导体是军事系统电子大脑的中流砥柱。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。关于生物传感器的早期研究工作主要集中在将细胞或细胞组成部分固定在类似于电信光纤的光纤表面或半导体表面上，以利用细胞识别和回应数千种环境刺激的能力（见图1）。这些刺激包括化学物质、毒素、生物分子、辐射、热量和磁场等。更多近期的观察研究表明，细胞可能可以被用于电子设备中，并具备极高的信息处理能力，这一能力可能比硅基系统的处理能力高出许多个数量级，同时其完成每个工作所消耗的能量要少得多。半导体行业协会估计，2018年半导体行业总产值将超过4000亿美元，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巨大变革。

图1. 艺术家的生物传感器概念

拜登政府的第14081号行政命令明确呼吁“基因工程技术应以编写软件和计算机程序的方式为细胞编制电路，并可预测地对生物学进行编程。”最后，美国于2022年发布的《创造有益于生产半导体的激励措施和科学法案》（Creating Helpful Incentives to Produce Semiconductors and Science Act）重申了开发先进下一代半导体的关键重要性。

背景

极端微生物（Extremophiles）是一种能够在极端环境下生存的有机体，此类极端环境包括极高温或极低温的环境、高辐射的环境、低氧气含量环境或者营养物不足的环境。纽约州立大学水牛城分校国家科学基金会生物表面中心的罗伯特·拜尔（Robert Baier）、安妮·梅耶尔（Anne Meyer）和罗伯特·福斯伯格（Robert Forsberg）观察到，一种名为“Pseudomonas syzgii”的极端微生物可以通过将半导体晶体嵌入细胞膜的方式来“武装”自己。更令人惊讶的是，在芯片制造过程中，这些细菌在零氧气条件下穿透半导体晶圆并在其中存活了下来（见图2）。这一发现最初被视为半导体制造过程中的一种污染问题，但也使相关研究人员产生了一种新的想法，即将生物细胞纳入电子设备中以提供传统半导体所不具备的更高性能。此外，研究人员还在矿物质中发现了活细菌，这些细菌在如此极端的环境中依然保持着完整的生物功能，这表明其极有可能通过电子传递来进行电子通信，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相互作用

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，活细胞能够处理多种形式（例如：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工作，这是目前的硅基电子系统所无法比拟的。一个1立方微米大小的存储和逻辑电路代表一个理论硅基单元，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，能够容纳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/平方厘米，可容纳超过106逻辑位，这使得生物细胞拥有6个数量级的能源利用优势。这两者的差距达到了一百万倍。军队对技术的依赖需要大量能源，而生物系统在这方面的效率可以减轻后勤和电池的沉重负担。

电子技术所面临的巨大难题是如何在提高处理能力的同时降低能耗和发热。生物系统在此领域显然优于传统电子设备。对于军事系统来说，生物系统在效率和算力方面具有巨大优势，并且在设计防入侵或黑客攻击、自修复电路方面拥有极大的潜力。

当前最高水平

目前关于混合生物电子设备的理论聚焦于将活系统中的生化流程用作“生物前端”以进行生物识别，这一过程将与外界环境直接进行互动并与作为“后端”的硅基半导体进行信息共享，而硅基半导体将对数据进行处理。生化流程可在极小的范围内进行，这是半导体设备无法做到的。这一流程能够对环境做出反应并传递信号，此类信号通常是利用细胞膜实现的离子传输或者细胞内蛋白质的激活。在某些情况下，可能会出现神经元间接触传递，即一个细胞通过磁场直接刺激另一个细胞。本文稍后将详细讨论细胞利用导电菌毛（从细胞中伸出的结构纤维）以电流形式传递电子的机制。菌毛可作为细胞组件本身的一部分使用，也可作为独立的电子元件进行制造和使用。当细胞作为与环境互动的元件时，生物前端将会把其信息传输给负责计算、控制和信息存储的半导体后端（见图3）。

图3. 生物信号转导概念图

对未来的长期展望

在短期内，活细胞或其组成部分将被用于制造生物电子设备，但此领域的长期发展重点是设计可编程的非生物（非生命）人造“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、信息处理和自我修复。用于描述晶体管中嘈杂电子流的数学模型与用于描述活细胞中生化反应过程的嘈杂分子流的数学模型十分相似，两者都受制于热动力学定律。换句话说，两者都遵循相同的自然规律，其相似性表明细胞和电子元件可以以可预测和可控制的方式进行互动。

美国国防部先进电子利益共同体（Department of Defense (DOD) Community of Interest for Advanced Electronics）将“生物电子技术”列为未来值得关注的技术之一。美国国家标准与技术研究院先进制造技术计划（National Institute for Standards and Technology Advanced Manufacturing Technology Program）于2015年向半导体研究公司（Semiconductor Research Corporation）提供资金，用于发展半导体合成生物技术（简称SemiSynBio）。该项目的任务是使半导体行业和生物技术行业进行合作，以发展节能信息技术。SemiSynBio技术的短期目标是开发生物自组装功能，其运行精度远远高于目前的光刻技术。SemiSynBio技术的长期目标是设计出可集成到半导体中的新型人工细胞或其组成部分。2022年，美国国家科学基金会（National Science Foundation）公布了第三代SemiSynBio技术，即“用于信息存储的半导体合成生物电路和通信”。曾经只存在于科幻小说中的生物电子技术时代正在逐渐成为现实。

生物电子技术发展过程中出现问题和障碍

目前，美国国家和商业界都努力使诸如半导体制造这样的关键技术本土化，这对生物电子技术的发展也尤其有利。对于美国国防部来说，关键电子材料和元件供应链中断的可能性非常大。例如，现场可编程门阵列（field programmable gate arrays）和特定应用集成电路几乎没有可信任的第二来源。相比之下，制造生物元件的材料却十分丰富、价格低廉，而且可以免费获得。

微生物与生物电子设备。细菌可通过各种生化和电学机制相互沟通，并与物理环境进行交流。已知的许多微生物都具有电活性，并且不同物种之间存在电子传递，这是生物电子通信的一种形式。许多细菌还能够形成生物膜，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本质上是一个细菌群落，群落中的细菌通过交流来调节新陈代谢过程，如生长、能量生产、能量使用、废物处理以及繁殖。

洛里·扎卡洛夫（Lori Zacharoff）和穆罕默德·纳加尔（Mohamed El-Naggar）提出，电子的多步“跳跃”可以在生物系统中实现以前认为不可能实现的长距离传导，而这表明了解这些生物过程对于设计新一代“活电子元件”至关重要。传统电子技术中的长度衡量标准比细胞系统中的长度衡量标准要大得多；这种差异是前者的不足之处，也是设计生物电子系统的潜在障碍。研究人员认为，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。有研究人员发现，增加电子菌毛上芳香族氨基酸（aromatic amino acids）的含量有利于电子传输，这就使得设计者可以通过控制菌毛上此类氨基酸的含量来“调整”电子菌毛的电子特性。德里克·洛夫利（Derek Lovley）指出，人类既然能够对电子菌毛的成分进行基因工程改造，那么其也可能可以利用细菌制造出“绿色”电子材料，而这些细菌可以通过发酵轻松制取。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）等研究人员还利用G. sulfurreducens的导电菌毛来制造“微生物纳米线”。他们用色氨酸（tryptophan）代替羧基末端苯丙氨酸（phenylalanine）和酪氨酸（tyrosine），以对细菌进行基因改造，生产出了高纵横比（aspect ratio）（极长与极宽之比）的导电纳米线，这种纳米线十分坚固，适合用作电子元件。人类头发的粗细约为70,000纳米，细菌细胞约为1,000纳米，而纳米线只有几纳米。其他微生物物种，如嗜水气单胞菌（Aeromonas hydrophila），也拥有导电丝，这似乎有助于细胞间的交流。劳拉·卡斯特罗（Laura Castro）等研究人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造，并且提出这些纳米线可用作电子设备中的生物导体。

带有电子菌毛的微生物数量众多，对它们进行基因改造相对容易，而且它们具有纳米级结构。这意味着此类天然生物材料资源丰富，并可以为传统电子设备赋予新的特性。与当今的半导体制造方法相比，生产这些生物材料对环境所造成的影响可以控制在最小范围内，这也是生物系统相对于电子元件的另一个优势。

图4. 与电子芯片互动的细菌

将生物电子能力与设备相结合

迈克尔·斯特罗西奥（Michael Stroscio）和米特拉·杜塔（Mitra Dutta）在一篇开创性的综述论文中描述了许多方式，这些方式可用于将生物结构和生物流程与电子设备结合起来以提供新功能。他们指出，纳米级别的电子设备能够与电活性细胞和亚细胞结构（如离子通道、受体和其他跨越细胞膜并与外部环境沟通的蛋白质）直接接触。在越来越多的科学文献中，跨膜蛋白细菌视紫红质（BR）被用作电子设备的传感元件，即上文所说的“前端”。例如，李玉涛（Yu-Tao Li）等研究人员回顾了与生物电子设备设计有关的细菌视紫红质文献，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混合生物电子设备的新设计进行了预测。

生物元件的特殊属性。离子通道和受体进一步提供了一种“模拟”（analog）能力，即对环境刺激的反应不一定像传统电子设备那样是“开”或“关”，而是对环境中非常微小的化学、物理和电扰动作出初始反应，并可对灵敏度和特异性进行调整。战术任务越来越依赖精确的智能武器，更具体地说，自主系统要求能够对信噪比极低的输入做出反应；生物系统的这种模拟功能将能够实现精细的分级反应。

莱昂·华雷斯-埃尔南德斯（Leon Juarez-Hernandez）等研究人员描述了细胞与（苯胺）半导体聚合物之间的生物混合接口。根据标准电生理学的相关评估，这些细胞仍能保持其功能，该电生理学测量了细胞的电活动，即细胞活力。这些生物混合接口还表现出记忆特性，即能够根据先前的电活动（经验）改变功能。这是一种原始的学习和记忆模式，类似于人脑中的赫布回路（Hebbian circuit）概念，即脑细胞回路的敏感程度和反应水平会在使用过程中出现变化，并能“记住”以前的动作。因此，生物电子元件与人工智能的结合可以增加自主系统的反应灵活性。华裔科学家蔡少棠（Leon Chua）最早提出了记忆电阻器（Memristor）的概念，目前与该概念相关的研究在不断涌现。

有机元件显示出半导体特性的例子还有很多。众所周知，有机聚合物可以作为半导体。由两个苯丙氨酸氨基酸（phenylalanine amino acids）组成的小肽具有半导体纳米晶体的光学和电子特性，这一发现完全出乎研究人员的意料，并为这一领域增添了新的重要研究内容。这些小肽可作为量子点的重要组成部分。量子点是一种具有半导体特性的纳米级晶体，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。这种肽还能自主组装形成由数百万量子点组成的纳米管。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多样，包括二十种天然氨基酸和数百种非典型（人造的，自然界中不存在的）氨基酸，因此研究人员很有可能可以设计出具有传统电子材料所不具备的特性的量子点。

图5. 碳纳米管的分子结构

与由肽组成的量子点一样，许多生物材料也会进行自组织活动。最近，增材制造技术（additive manufacturing）取得了部分发展，这促使研究人员开始使用喷墨打印技术制造有机半导体。权允政（Yoon Jung Kwon）、朴永东（Yeong Don Park）和李维炯（Wi Hyoung Lee）在其发表的文章中描述了使用喷墨打印和有机半导体油墨打印技术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成本效益高、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工作的设备，例如用于生理或认知增强的人机接口和假肢，或者用作软体机器人系统的组件。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，介绍了蛋白质、生物大分子和细胞的卷对卷打印技术和喷墨打印技术，以及这些技术在生物传感器、诊断和DNA测序中的应用。生物与半导体的反向关系也值得注意，因为许多有机体已被证明能合成具有独特光学、电子和机械特性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。

技术障碍。毫无疑问，生物细胞、其组成部分及其合成物将有助于设计出具有独特性能的新型半导体和其他生物电子设备，这些新型设备在信息处理能力、能耗和发热量方面具有明显优势。在这样一个新的研究领域，研究人员已经发现了几个需要解决的理论和实际问题。其中最具挑战性的问题是（1）如何将细胞和/或其功能部分精确地固定在半导体内或半导体上；（2）如何对细胞进行基因工程改造，以引入基因控制开关来控制细胞的活动；（3）如何协调生物学语言和电子学语言在空间衡量标准和时间衡量标准方面的差异，以使两者能够进行无缝交流（4）如何设计出具有设计特性和活细胞功能的完全人造细胞。合成生物学将是制造完全综合生物电子设备的关键技术，而这正是SemiSynBio联盟的最终目标。此外，这一新研究领域还面临着一些更为现实的问题，如确定台式半导体制造模拟器的设计参数、进行必要实验所需的小规模半导体制造模型、以及分析技术的选择和应用。

结论

半导体行业正在迅速接近传统材料的物理极限，该行业的研究人员已经开始寻找替代技术，以将更多的算力封装到非常有限的空间中。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量级。虽然这些差异还仅仅存在于理论之中，但其体现了生物系统相对于电子系统的优势，并突显了生物细胞与传统半导体的集成具有极高的革命性价值。此外，细胞在同时处理许多输入/输出信息方面具有一定优势，并且其在自校正和自修复的冗余和反馈回路方面也存在明显优势。事实上，大脑中细胞回路能够自我调整灵敏度，而这是记忆的关键组成部分，也是上文所述记忆电阻器的理论基础。混合生物半导体可以赋予计算机网络自修复能力。

混合生物半导体的概念可能属于美国国防部技术就绪水平2级（DOD Technical Readiness Level-2），即一个应用已经成型的概念。如前所述，美国国家标准与技术研究院的“先进制造技术计划”为SemiSynBio联盟制定的路线图提供了资金支持，而美国国家科学基金会的第三代SemiSynBio技术则是最新一次的技术迭代。基于生物的新型半导体将广泛应用于自主系统的智能过程控制、化学和生物检测、提高人体性能的综合医疗设备、先进制造过程、基于DNA的记忆存储、环境监测和控制之中，并将节省目前用于冷却服务器集群的大量能源，减少军事系统在战场上的热特征。生物半导体与更广泛的生物材料领域的结合，使得研究人员有机会研发出新的生物传感器、其他植入式生物医疗设备以及基于新型水凝胶（液态成分为水的三维聚合物）的组织支架。

总之，生物系统具有比现存硅基半导体更有效的信息处理能力，这一能力的应用预示着在信息技术范围内又出现了一个新领域。生物电子技术使得设计出一种防入侵和自我修复网络成为了可能，而微生物调制信号的能力可为该网络提供抗电磁脉冲的能力。

美国国防部最近在合成生物学和生物技术领域的投资使其有能力评估这些技术在军事领域的应用潜力。未来的军事系统将受益于生物学、材料科学和物理学领域的巨大突破。由此产生的突破性发现可能将为美国的安全态势提供更强的作战能力和更好的成本效益。