用于血液中无线通信的网络纳米生物传感器

生物计算机器，例如可以收集人体内重要信息的微型和纳米植入物，正在改变医学。然而，事实证明，将它们联网进行通信具有挑战性。现在，包括洛桑联邦理工学院研究人员在内的一个全球团队开发了一种协议，可以实现具有多个发射器的分子网络。

首先是物联网(IoT)，现在，在计算机科学和生物学的交汇处，生物纳米物联网(IoBNT)有望彻底改变医学和医疗保健。IoBNT指的是收集和处理数据的生物传感器、在体内运行医学测试的纳米级芯片实验室、利用细菌设计可以检测病原体的生物纳米机器以及会游泳的纳米机器人通过血液进行靶向药物输送和治疗。

“总的来说，这是一个非常非常令人兴奋的研究领域，”洛桑联邦理工学院计算机与通信科学学院(IC)传感与网络系统实验室负责人HaithamAlHassanieh助理教授解释道。“随着生物工程、合成生物学和纳米技术的进步，纳米生物传感器将彻底改变医学，因为它们可以到达某些地方并做当前设备或更大的植入物无法做到的事情，”他继续说道。

然而，无论这个前沿研究领域多么令人兴奋，仍然存在一个巨大的、根本性的挑战——当你的身体里有一个纳米机器人时，你将如何与它交流?无线电等传统技术适用于起搏器或除颤器等大型植入物，但无法扩展到微米和纳米尺寸，而且无线信号无法穿透体液。

受身体本身启发，进入所谓的生物分子通讯。它不利用电磁波，而是利用生物分子作为载体和信息，模仿生物学中现有的通信机制。最简单的形式是，它通过向血液中释放或不释放分子颗粒来编码“1”和“0”位，类似于无线网络中的开关键控。

“生物分子通信已成为最适合联网纳米植入物的范例。这是一个令人难以置信的想法，我们可以通过将数据编码成分子来发送数据，然后这些分子通过血液，我们可以与它们进行通信，指导它们去哪里以及何时释放他们的治疗方法，就像激素一样，”阿尔哈萨尼耶说。

最近，AlHassanieh和他的团队与美国的研究人员合作，在数据通信年度会议ACMSIGCOMM2023上发表了他们的论文“走向实用和可扩展的分子网络”，其中概述了他们的MoMA(分子多重网络)Access)协议，支持具有多个发射器的分子网络。

“大多数现有研究都是非常理论化的，并且不起作用，因为这些理论没有考虑生物学，”阿尔·哈桑尼解释说。“例如，每次心脏跳动时都会出现抖动，身体会改变其内部通讯通道。大多数现有理论都假设发送分子的通道非常稳定并且不会改变。实际上它变化得非常快。”

通过MoMA，该团队引入了数据包检测、通道估计和编码/解码方案，利用分子网络的独特属性来解决现有的挑战。他们在合成实验测试台上评估了该协议——用管子和泵模拟血管——证明它可以扩展到四个发射器，同时显着优于最先进的技术。

研究人员承认，他们当前的合成测试平台可能无法应对与分子网络设计协议相关的所有挑战，并且需要在湿实验室中对微植入物和微流体进行体内测试，以实现实用且可部署的分子网络。然而，他们相信他们已经朝着这一愿景迈出了第一步，并且他们对设计分子网络的见解将保持不变，因为他们的测试台中的基础扩散和流体动力学模型是分子通信的基础

“我对这个领域感到非常兴奋，因为它是一种新的通信形式。我们是一个系统团队，我们喜欢构建东西并让它们工作。我们需要时间来发展我们在生物分子通信方面的专业知识，但现在我们正处于这个阶段“我们正在寻找合作者并推动事情进展。人们认为这是科幻小说，但它正在迅速转变为科学事实，”AlHassanieh总结道。