Komunikacja w nanoskali. Pawel Kulakowski, KT AGH

Transkrypt

1 Komunikacja w nanoskali Pawel Kulakowski, KT AGH 1

2 Plan wykładu 1. Jak stworzyć nową dziedzinę badań? Przykład Tadashiego Nakano 2. Nanokomunikacja: powody i główne kierunki rozwoju dziedziny 3. Zjawisko FRET 4. Eksperymenty 5. Od badań podstawowych do zastosowań: wyniki prac symulacyjnych 6. Podsumowanie 2

3 Jak to się może zacząć Tadashi Nakano, post-doc, Osaka University of California, 2002 Szef grupy badawczej: codziennie przychodźcie z jednym nowym pomysłem na badania nacisk na to czym się chcemy zająć, a nie na to jak to zrobić 3

4 Pierwsze efekty Tadashi Nakano, post-doc, Osaka University of California, 2002 Nowa idea: komunikacja molekularna Pierwsze publikacje, 2005: 1. T. Suda, M. Moore, T. Nakano, R. Egashira, and A. Enomoto, Exploratory research on molecular communication between nanomachines, Genet. Evol. Comput. Conference (GECCO), Washington, USA. 2. S. Hiyama, Y. Moritani, T. Suda, R. Egashira, A. Enomoto, M. Moore, T. Nakano, Molecular communication, NSTI Nanotechnol. Conference. 4

5 Interdyscyplinarność naukowcy z laboratorium sieci komputerowych studiujący: - biologię - chemię konieczność prac doświadczalnych kontakty z biologami podejście do eksperymentu, oczekiwane wyniki, metody pracy 5

6 Motywacja dla rozwoju dziedziny ELEKTRONIKA NANOTECHNOLOGIA TELEKOMUNIKACJA NANOKOMUNIKACJA 6 I.F. Akyildiz, F. Brunetti, C. Blazquez, "NanoNetworking: A New Communication Paradigm", Computer Networks, 2008.

7 Rozmiary cząsteczek i urządzeń 7

8 Podejścia do problemu 1. Miniaturyzacja (top-down) - nowe materiały: nanorurki węglowe i grafen - pasmo THz - rozmiar maszyn: mikrometry 2. Konstruowanie nanomaszyn z pojedynczych molekuł (bottom-up) 3. Komunikacja molekularna (wywodząca się podejścia bio-hybrid ) 8 Josep Miquel Jornet, PhD Dissertation "Fundamentals of Electromagnetic Nanonetworks in the Terahertz Band", 2013

9 Mechanizmy komunikacji molekularnej DNA: 215 PB/g! 9 T. Nakano, A. W. Eckford, and T. Haraguchi, Molecular Communications., Cambridge Univ. Press, 2013

10 Szybkość propagacji sygnału Mechanizmy molekularne < 50 µm/s ( m/s) Förster Resonance Energy Transfer (FRET) 1 m/s 10

11 Förster Resonance Energy Transfer (FRET) Energia Diagram Jablonskiego: WZBUDZENIE, EMISJA: WZBUDZENIE, FRET, EMISJA: Skuteczność FRET: E= donor (Tx) Energia: akceptor (Rx) R0 6 r 6 +R 60 R0 (odległość Förstera) = 3 9 nm 11 T. Förster "Zwischenmolekulare Energiewanderung und Fluoreszenz", Annalen der Physik,

12 Skuteczność FRET przy n donorach i m akceptorach (MIMO): FRET Modulacja ON-OFF: - bit 0 = brak sygnału - bit 1 = wzbudzenie wszystkich donorów, FRET M. Kuscu, et al., "A Physical Channel Model and Analysis for Nanoscale Communications ",

13 Komunikacja wieloskokowa FRET 13

14 Komunikacja w sieci nanomaszyn 14

15 Transmisja Modulacja ON-OFF MIMO-FRET i ruting? 15

16 Techniki rutingu w nanosieciach opartych na FRET 1. Białka z różnymi rodzajami fluoroforów: D donor A akceptor 16 P. Kulakowski, K. Solarczyk, K. Wojcik, Routing in FRET-Based Nanonetworks, IEEE Communications Magazine, 2017.

17 Techniki rutingu w nanosieciach opartych na FRET 2. Fluorofory o zmiennych charakterystykach widmowych: przed przełączeniem po przełączeniu 17

18 Techniki rutingu w nanosieciach opartych na FRET 3. Wygaszacze: 18

19 Techniki rutingu w nanosieciach opartych na FRET 4. Białka o zmiennym kształcie: punkt zgięcia cząsteczki miozyny 19

20 Techniki rutingu w nanosieciach opartych na FRET 5. Syntaza ATP: napięcie elektryczne rotacja cząsteczki syntazy ATP 20

21 Komunikacja między różnymi rodzajami sieci 21 P. Kulakowski, K. Turbic, L. Correia, submitted to IEEE Wireless Communications Magazine, 2019.

22 Wyniki eksperymentalne

23 Sieć antyciał (Ab) i barwników Alexa Fluor (AF) antyciało (białko) = nanosensor barwnik (AF) = nano nadajnik/odbiornik antyciała w eksperymencie: immunoglobulin G 23 23

24 BER w kanałach MIMO (n,m) 24 K. Wojcik, et al., Measurements on MIMO-FRET nano-networks based on Alexa Fluor dyes, IEEE Trans. on NanoTech., 2015.

25 Ruting pod mikroskopem konfokalnym Leica około 108 nanosieci 25 25

26 Scenariusz pod mikroskopem konfokalnym Leica 26 P. Kulakowski, K. Solarczyk, K. Wojcik, Routing in FRET-Based Nanonetworks, IEEE Communications Magazine, 2017.

27 Prace symulacyjne bliżej badań stosowanych

28 Pytanie 1: Jak generować sygnały WEJŚCIOWE? WZBUDZENIE, FRET, EMISJA: Tx Rx LASER? 28

29 Pytanie 1: Jak generować sygnały WEJŚCIOWE? CHEMICZNE WZBUDZENIE, FRET, EMISJA: Tx: Luc Rx Zamiast barwników: LUCYFERAZA (cząsteczka wzbudzana energią chemiczną) 29

30 Pytanie 2: Jak odbierać sygnały WYJŚCIOWE? CHEMICZNE WZBUDZENIE, FRET, EMISJA: Luc Rx 30

31 Pytanie 2: Jak odbierać sygnały WYJŚCIOWE? CHEMICZNE ZMIANA WZBUDZENIE, FRET, POTENCJAŁU: ChR: Luc ChR RODOPSYNA (po wzbudzeniu, otwiera kanał dla jonów +)

32 System zbierania danych wew. ciała ludzkiego 32

33 Komunikacja MIMO-FRET 33 J. Kmiecik, K. Wojcik, P. Kulakowski, A. Jajszczyk, in revision in Nano Communication Networks

34 Komunikacja z modulacją ON-OFF 170 nm 170 nm 6 nm (2500 cząsteczek) FRET 75 nm 75 nm 5 nm (900 cząsteczek) 34

35 Transmisja do komórek nerwowych 35 J. Kmiecik, P. Kulakowski, K. Wojcik, A. Jajszczyk, ACM/IEEE NanoCom Conference, 2018.

36 Podsumowanie co warto zapamiętać 1. Nanokomunikacja: temat bardzo aktualny, wymagający współpracy światów BIO i TELE 2. Komunikacja terahercowa, z wykorzystaniem grafenu: raczej dla skali MIKRO 3. Komunikacja molekularna (bio-inspired): dla skali nano, ale wiąże się z bardzo dużymi opóźnieniami 4. Zjawisko FRET: szybkie, na małe odległości, wymagany MIMO-FRET 5. Zastosowania: nano-medycyna, komunikacja nano-maszyn wewnątrz ciała ludzkiego 6. Nanokomunikacja to wciąż badania podstawowe, pomiary w tej dziedzinie są konieczne! 36

37 Dziękuję bardzo! Pawel Kulakowski, KT AGH