Komunikacja w nanoskali

Transkrypt

1 Paweł Kułakowski Katedra Telekomunikacji Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Al. Mickiewicza 30, Kraków kulakowski@kt.agh.edu.pl Komunikacja w nanoskali Wprowadzenie Obserwujemy obecnie niezwykle intensywny rozwój w dziedzinie nanotechnologii. Jest to, z jednej strony, stymulowane rosnącymi gwałtownie możliwościami technologicznymi budowy nanomaszyn, również z wykorzystaniem grafenu. Z drugiej strony, cały czas wzrasta liczba zastosowań nanotechnologii, począwszy od precyzyjnej produkcji przemysłowej, ochrony środowiska, budowy zminiaturyzowanych laboratoriów (labs-on-a-chip), aż do olbrzymiej liczby możliwości z dziedziny medycyny: nanochirurgii, stymulacji regeneracji tkanek czy rozprowadzania w ciele ludzkim leków i innych substancji aktywnych. Działania pojedynczych nanomaszyn, między innymi z powodu ich rozmiaru i możliwości energetycznych, są jednak bardzo ograniczone. Dalszy rozwój ich funkcjonalności wymaga kooperacji całych sieci nanomaszyn. Oznacza to konieczność opracowania mechanizmów komunikacji między nanomaszynami. Komunikacja w nanoskali konieczna jest również dla celów sterowania nanomaszynami i odbierania od nich informacji. Komunikacja w nanoskali, czyli nanokomunikacja, jest tematem badań naukowców od około dekady. Dziedzina ta, regularnie wymieniana m.in. przez IEEE Communications Society jako jeden z najważniejszych tematów naukowych (hot topics, technology trends), rozwija się jednak dość powoli, ze względu na konieczność współpracy badaczy z obszarów telekomunikacji/informatyki oraz biotechnologii/medycyny. Główna inicjatywa rozwoju nanokomunikacji pochodzi z międzynarodowego środowiska telekomunikacyjnego, jednak coraz częściej eksperymenty przeprowadzane są z wykorzystaniem wsparcia, sprzętu i doświadczenia grup biologów, biofizyków czy biotechnologów. Zasadniczo, wszystkie prowadzone obecnie badania z zakresu nanokomunikacji należą wciąż do badań podstawowych. Prace skupiają się na określeniu właściwości medium, przepustowości kanału komunikacyjnego i bitowej stopy błędów, zdefiniowaniu

2 odpowiednich modulacji, protokołów MAC i technik rutingu. Proponowane są architektury komunikacyjne odpowiednie dla nanokomunikacji. Przeprowadzane są eksperymenty, choć dotyczą one pojedynczych aspektów działania nanosieci. Stworzenie w pełni funkcjonalnej nanosieci wciąż jeszcze nie zostało zrealizowane. Niniejszy artykuł, oprócz tego wprowadzenia, składa się z sześciu rozdziałów. W pierwszym z nich, omówiono trzy podstawowe podejścia do nanokomunikacji. W rozdziale drugim, przedstawiono tzw. podejście top-down i komunikację w paśmie terahercowym. W następnym, przedstawiono podstawowe rozwiązania komunikacji molekularnej. W kolejnych dwóch rozdziałach opisano transmisję sygnału i techniki rutingu dla bardzo obiecującego mechanizmu nanokomunikacji procesu FRET (Förster Resonance Energy Transfer). W ostatnim rozdziale przedstawiono potencjalne zastosowania tego rodzaju komunikacji. Nanomaszyny i ich komunikacja Można wyróżnić trzy podstawowe podejścia do rozwoju nanomaszyn i komunikacji między nimi. Zgodnie z pierwszym z nich, komunikacja w nanoskali polega na miniaturyzacji rozwiązań istniejących w klasycznych sieciach telekomunikacyjnych, w szczególności w sieciach bezprzewodowych jest to tzw. podejście top-down. Jako medium komunikacyjne rozważane są fale elektromagnetyczne (EM). Ze względu na małe rozmiary urządzeń, w szczególności anten, konieczne jest prowadzenie komunikacji na bardzo wysokich częstotliwościach. Podstawowym przewidywanym pasmem są częstotliwości terahercowe (przede wszystkim 0,110 THz). Podejście top-down i komunikacja w paśmie THz są tematem następnego rozdziału. Drugim rozważanym rozwiązaniem jest konstruowanie nanomaszyn z pojedynczych molekuł (bottom-up approach). Niemniej, o ile w literaturze można znaleźć szereg propozycji sztucznych nanomaszyn molekularnych [1], to jednak ten nurt badań nie doczekał się zbyt wielu propozycji mechanizmów komunikacji. W trzecim podejściu przyjmuje się motywację biologiczną, adoptując istniejące struktury biologiczne, znane z komórek żyjących organizmów i wykorzystuje się ich naturalne metody komunikacji (bio-hybrid approach). Podejście to obecnie nazywane jest komunikacją molekularną i jest najpopularniejszą dziedziną nanokomunikacji. Główne nurty komunikacji molekularnej obejmują metody oparte na dyfuzji, dyfuzji z dryfem czy też molekularnych strukturach kroczących. Podstawowe rozwiązania z tego nurtu zostaną krótko omówione w rozdziale "Komunikacja molekularna".

3 Już na tym etapie tego artykułu należy podkreślić, że większość rozwiązań naukowych proponowanych obecnie dla nanokomunikacji dotyczy tak naprawdę skali mikro. Pod tym względem wyróżnia się mechanizm FRET, gdzie cząsteczki pełniące rolę nadajników i odbiorników moją rozmiary pojedynczych nanometrów. FRET jest procesem transferu energii o zasięgu ograniczonym do około 10 nm, ale jednocześnie bardzo szybkim, zachodzącym w czasie kilku nanosekund. FRET wydaje się rozwiązaniem znakomicie nadającym się do komunikacji w sieci współpracujących ze sobą nanomaszyn. Ostatnie rozdziały tego artykułu będą poświęcone właśnie tej technice nanokomunikacji. Podejście top-down i komunikacja w paśmie THz Zgodnie z założeniami podejścia top-down, komunikacja między nanomaszynami może być zrealizowana przy użyciu klasycznych technik znanych z telekomunikacji bezprzewodowej, zakładając odpowiednią miniaturyzację. Architektura takiej nanomaszyny jest więc wzorowana na niewielkich urządzeniach bezprzewodowych, takich jak np. sensory. Nanomaszyna powinna składać się z: (a) nanoprocesora (jednostki kontrolnej), (b) jednostki pamięci, (c) zminiaturyzowanych urządzeń nadawczo-odbiorczych wraz z nanoanteną, (d) nanosensorów lub innych modułów pozwalających nanomaszynie wykonywać swoje zadania oraz (e) jednostki zasilającej, w miarę możliwości generującej energię lub pobierającej ją z otoczenia. Schemat ideowy takiej nanomaszyny przedstawiono na Rys. 1. Rys. 1. Architektura nanomaszyny rozważana w scenariuszu komunikacji w paśmie THz.

4 Ze względu na rozmiar nanomaszyn, ich komunikacja, jeżeli ma być realizowana przy użyciu fal EM, musi zakładać wykorzystanie bardzo wysokich częstotliwości. Obecnie, najczęściej rozważanym rozwiązaniem jest komunikacja w paśmie 0,110 THz. Jest to możliwe, zakładając, że antena nanomaszyny będzie wykonana nie z metalu, ale przy użyciu nowych materiałów takich jak nanorurki węglowe (carbon tanotubes) lub w ogólności grafen [2]. W takich materiałach prędkość propagacji fali EM jest około 100 razy mniejsza niż w próżni, a więc fala EM o częstotliwości terahercowej będzie miała długość rzędu mikrometrów lub nawet mniejszą. Drugim ważnym aspektem jest zasilanie nanomaszyny. Biorąc pod uwagę jej autonomiczną pracę najlepszym rozwiązaniem byłaby możliwość pobierania energii z otoczenia i taką możliwość dają nanodruty z tlenku cynku (ZnO nanowires). W momencie ugięcia, np. będącego skutkiem przypływu cieczy w otoczeniu, nanodruty generują napięcie elektryczne [3]. Szacuje się, że do zasilenia nanomaszyny potrzebnych jest kilka tysięcy nanodrutów o średnicy około 100 nm i długości około 2 µm [4]. Oba wspomniane aspekty komunikacja EM oraz zasilanie nanomaszyn wskazują, że o ile podejście top-down i komunikacja THz są powszechnie zaliczane do zagadnień nanokomunikacyjnych, w rzeczywistości proponują rozwiązania odpowiednie raczej dla skali mikro. Komunikacja molekularna Grupa rozwiązań nanokomunikacyjnych zwanych bio-hybrid zakłada wykorzystanie mechanizmów komunikacji występujących w biologii. Ze względu na fakt, że nośnikiem informacji nie jest fala EM, a raczej pewne cząsteczki, te mechanizmy są też powszechnie określane mianem komunikacji molekularnej [5]. Jedną z najszerzej badany koncepcji jest komunikacja z wykorzystaniem dyfuzji cząsteczek (ruchów Browna). Sygnalizacja jonami wapnia (Ca 2+ ), właśnie z wykorzystaniem dyfuzji, jest obserwowana w przyrodzie jako komunikacja między żywymi komórkami i jej użycie jest analizowane również dla celów nanokomunikacji []. Informacja może być kodowana np. poprzez modulację stężenia wysyłanych jonów. Innym rozwiązaniem jest wysyłanie większych cząsteczek polimerów, które przenoszą informację zakodowaną w swojej odpowiednio zmodyfikowanej strukturze, np. bity 0 i 1 są kodowane przez umieszczenie w odpowiednich miejscach atomów wodoru i fluoru [7]. Dyfuzja jest mechanizmem dość powolnym, prędkość propagacji jonów wapnia nie przekracza 30 µm/s [8]. Rozważane są też scenariusze dyfuzji z dryfem, a więc

5 wykorzystania faktu, że w danym miejscu cząsteczki poruszają się szybciej na skutek ruchu całego ośrodka. Szereg kolejnych rozwiązań z kategorii komunikacji molekularnej zakłada wykorzystanie tzw. transportu aktywnego czyli wymagającego dostarczenia dodatkowej energii. Przykładem są nanopręty (nanorods) [9] i bakterie [10] wykorzystujące odpowiednio energię reakcji chemicznej i siłę motoryczną wici do przemieszczania się. W obu tych przypadkach, nanopręty i bakterie są kontenerami, w których można zapisać informację w łańcuchu DNA. W przypadku nanoprętu, DNA jest doczepione na jego powierzchni, a w przypadku bakterii DNA znajduje się w jej centralnym nukleotydzie. Należy również wspomnieć o motorach molekularnych poruszających się wewnątrz żywych komórek [11]. Motory molekularne mogą przenosić inne cząsteczki, a więc również takie, w których zapisana jest informacja. Poruszają się po wyznaczonych trasach, tzw. mikrotubulach, co gwarantuje dotarcie do celu, w przeciwieństwie do technik bazujących na dyfuzji. Wadą tego rozwiązania jest natomiast mała prędkość poruszania się zaledwie kilka µm/s. W ramach komunikacji molekularnej zaproponowano szeroką gamę różnych mechanizmów, które łączy jednak niska prędkość rozchodzenia się informacji w medium. Na tym tle bardzo pomyślnie wypada komunikacja wykorzystująca proces FRET, który nie tylko świetnie się nadaje dla nanomaszyn rozmiaru kilku lub kilkunastu nanometrów, ale również cechuje się bardzo krótkimi, nanosekundowymi opóźnieniami w propagacji sygnału. FRET zostanie szczegółowo omówiony w następnych rozdziałach artykułu. Nanokomunikacja z wykorzystaniem zjawiska FRET Zjawisko FRET (Förster Resonance Energy Transfer) jest to proces przekazania energii pomiędzy dwoma cząsteczkami. Aby zjawisko mogło zajść, pierwsza cząsteczka, zwana donorem, musi znajdować się w stanie wzbudzonym, np. po absorpcji fotonu. Druga cząsteczka, określana jako akceptor, znajduje się w stanie podstawowym. Energia wzbudzenia donora przekazywana jest do akceptora bez emisji jakiegokolwiek fotonu. Na Rys. 2 pokazano diagram Jabłońskiego wskazujący możliwe przejścia energetyczne cząsteczki. Zjawisko FRET zostało odkryte już 70 lat temu przez Teodora Förstera [12], a następnie dalej badane przez Luberta Stryera [13]. Obecnie, wykorzystywane jest powszechnie w biofizyce, biologii i medycynie do pomiaru odległości między cząsteczkami. Donorami i akceptorami mogą być np. fluorofory ze znanych grup Alexa Fluor, DyLight, Atto i innych.

6 Rys. 2. Diagram Jabłońskiego. Proces FRET zachodzi w bardzo krótkim czasie, najczęściej 110 nanosekundy. Aby mogło do niego dojść, donor i akceptor powinny znajdować się względnie blisko siebie, zazwyczaj nie dalej niż 10 nm. Co więcej, widmo emisji donora musi przynajmniej częściowo pokrywać się w widmem absorpcji akceptora. Stopień pokrywania się tych widm oraz odległość między cząsteczkami są głównymi czynnikami wpływającymi na skuteczność całego procesu. Intensywność całego procesu gdzie FRET 2 e r FRET można obliczyć jako: 9000ln N n 4 0 F D 4 ( ) A( ) d d, (1) e jest intensywnością emisji fotonów przez donor, N jest liczbą Avogadra, n to współczynnik refrakcji, a cząsteczek donora i akceptora. 2 jest czynnikiem odpowiadającym za wzajemne ułożenie F D i A to odpowiednio widmo emisji donora i widmo absorpcji akceptora zależne od długości fali. Jak widać, intensywność FRET silnie zależy od odległości r, jest odwrotnie proporcjonalna do jej szóstej potęgi. Znając intensywność procesu FRET możemy obliczyć jego skuteczność, czyli prawdopodobieństwo, że wzbudzona cząsteczka donora przekaże energię do akceptora, a nie zostanie rozładowana w inny sposób, np. emitując foton. Efektywność ta wynosi: gdzie FRET E, (2) FRET e nr e i nr są odpowiednio intensywnością emisji fotonów oraz intensywnością innych rozładowań nieradiatywnych. Skuteczność FRET można również obliczyć prościej niż z równań (1) i (2), jeżeli znana jest tzw. odległość Förstera R 0, czyli odległość, dla której skuteczność FRET równa jest 50%. Odległość Förstera wyznaczana jest eksperymentalnie dla określonych cząsteczek donora i FRET

7 akceptora i wynosi zazwyczaj około 39 nm. Gdy R 0 jest znane, skuteczność FRET można policzyć jako: E FRET r R 0 R 0. (3) Zjawisko FRET zostało po raz pierwszy wspomniane w zastosowaniach nanokomunikacyjnych w pracy [14]. Następnie, zostało szerzej opisane, zdefiniowano też kanał komunikacyjny i jego pojemność [15, 1]. Ponieważ FRET ma małą skuteczność na odległości większe niż kilka nanometrów, zaproponowano rozwiązanie MIMO-FRET, przy okazji prezentując pierwsze badania eksperymentalne nad tym zjawiskiem w kontekście telekomunikacyjnym [17]. Technika MIMO-FRET opiera się na rozwiązaniu znanym z komunikacji bezprzewodowej, gdzie dla poprawienia jakości i przepustowości transmisji wykorzystuje się jednocześnie wiele anten zarówno po nadawczej jak i po odbiorczej stronie łącza radiowego. W przypadku nanokomunikacji opartej na FRET, zaproponowano zastosowanie kilku fluoroforów po obu stronach kanału nano-komunikacyjnego. W pierwszym eksperymencie, nanomaszynami były białka immunoglobuliny G, a nanonadajnikami i nano-odbiornikami fluorofory z rodziny Alexa Fluor (Rys. 3). Założono pełną synchronizację między stroną nadawczą a odbiorczą oraz zastosowanie modulacji ON-OFF keying [15]. W takim przypadku, podczas transmisji bitu 1 wzbudzane są wszystkie fluorofory będących donorami. Gdy którykolwiek fluorofor-akceptor odbierze sygnał FRET, transmisję bitu uważa się za poprawną. Transmisja bitu 0 realizowana jest przez pozostawienie wszystkich donorów w stanie podstawowym. Rys. 3. Przykład scenariusza pomiarowego dla układu MIMO(7,4)-FRET [17]. Trójelementowe śmigła symbolizują kształtem białka immunoglobulin G, pełniących w eksperymencie funkcję nanomaszyn. Do immunoglobulin dołączone były fluorofory, w tym wypadku 7 donorów Alexa Fluor 488 (kolor zielony z prawej) oraz 4 akceptory Alexa Fluor 54 (kolor żółty z lewej).

8 Dla wyżej opisanego scenariusza przy n donorach i m akceptorach, skuteczność transmisji sygnału FRET, a więc prawdopodobieństwo poprawnego przesłania bitu 1, można opisać zależnością [18]: E FRET, n, m 1 n k1 R 1 1 m 0 1 rki i1 m R0 1 rki i1, (4) gdzie r ki jest odległością między k-tym donorem a i-tym akceptorem. Prawdopodobieństwo przesłania bitu 0 jest równe 1. Na tej podstawie, można obliczyć również bitową stopę błędów BER, która wynosi: E FRET, n, m BER (5) Pomiary i obliczenia potwierdzają, że przy zastosowaniu techniki MIMO-FRET już dla donorów i akceptorów, można uzyskać bitową stopę błędów około 10-3 nawet dla odległości 10 nm [19]. Ruting w nanosieciach opartych na FRET Kooperacja sieci nanomaszyn wymaga nie tylko poprawnych transmisji punkt-punkt, ale również realizacji rutingu przesyłanych sygnałów. Dla nanosieci wykorzystujących zjawisko FRET zaproponowano 5 mechanizmów, które mogą zostać wykorzystane dla rutingu [20]. Wszystkie te mechanizmy opierają się na specyficznych właściwościach wybranych cząsteczek. Mechanizmy te przedstawiono na Rys. 4 i opisano poniżej. W pierwszym przypadku (Rys. 4a) do jednej cząsteczki białka, działającej jako nanoruter, dołączono dwa rodzaje fluoroforów-donorów. Przy starannym doborze fluoroforów biorącym pod uwagę ich właściwości spektralne, sygnały wzbudzające donory będą przesyłane do akceptorów A1 lub A2, w zależności od długości fali docierającej do nanorutera. Rozwiązanie to przypomina technikę FDMA dobrze znaną w komunikacji bezprzewodowej. W scenariuszu drugim (Rys. 4b), wykorzystano fluorofor-donor, który można przełączyć silnym impulsem świetlnym. Przełączenie fluoroforu zmienia jego właściwości spektralne: przed przełączeniem przekazuje sygnały do akceptora A1, po przełączeniu do A2. W trzecim przypadku zastosowana jest cząsteczka wygaszacza (ang. quencher). Wygaszacz będąc w stanie aktywnym blokuje propagację sygnałów FRET, a więc zamyka dany kanał komunikacyjny (Rys. 4c). Wygaszacz można dezaktywować zmieniając parametry środowiska, w którym się znajduje (np. współczynnik ph lub temperaturę). Kolejnym rozwiązaniem jest użycie białek podlegających zmianom konformacyjnym, a więc takim, które wpływają na ich kształt. W

9 przykładzie pokazanym na Rys. 4d, cząsteczka miozyny może ulec zgięciu (np. pod wpływem obecności wybranych jonów), przez co dołączony do niej fluorofor-donor przesunie się od akceptora A1 do A2. Ze względu na silną zależność skuteczności FRET od odległości, zgodnie z równaniem (3), takie przesunięcie praktycznie zapewnia przełączenie transmisji sygnału z DA1 na DA2. Ostatnia propozycją jest wykorzystanie cząsteczek syntazy ATP (Rys. 4e). Cząsteczkę taką można wprawić w rotację dostarczając jej ATP (adenozynotrifosforan) lub napięcie elektryczne. Syntaza ATP i znajdujący się na niej donor, rotując ze stałą prędkością kątową, może przekazywać sygnał FRET kolejno do ustawionych wokół niej fluoroforów-akceptorów, na podobieństwo bezprzewodowej techniki TDMA. Rys. 4. Mechanizmy rutingu w nanosieciach wykorzystujących zjawisko FRET [Kulakowski]. (a) białko z dwoma różnymi fluoroforami, (b) fluorofor przełączany impulsem świetlnym, (c) wygaszacz blokujący propagację sygnału FRET, (d) cząsteczka miozyny o zmiennym kształcie, (e) syntaza ATP obracająca się wokół własnej osi.

10 Pierwsze z wyżej opisanych rozwiązań zostało już przebadane w praktycznym eksperymencie. Udało się stworzyć prosty nanoruter, przesyłający sygnał do dwóch nanoodbiorników [20]. Wydajność takiego rutera pozostawia jeszcze wiele do życzenia, głównie ze względu na słabą separację widmową przesyłanych sygnałów. Niemniej, zakładając, że w przyszłości dostępne będą również fluorofory działające w innych niż światło widzialne zakresach fal EM, możemy się spodziewać dużo lepszej wydajności takich rozwiązań. Zakończenie i wskazanie zastosowań komunikacji FRET Obecnie prowadzone prace eksperymentalne nad komunikacją FRET mają charakter badań podstawowych. Niemniej, biorąc pod uwagę szeroką gamę możliwych zastosowań nanokomunikacji zwłaszcza w medycynie, warto spróbować wskazać kilka możliwych scenariuszy obejmujących badania prowadzące do możliwych wdrożeń. Po pierwsze, można rozważyć ogólny przypadek systemu opartego na niewielkich molekułach zbierających informacje wewnątrz ciała ludzkiego, np. o jego zdrowiu. Interfejs FRET mógłby tutaj zostać wykorzystany do odebrania informacji z owych molekuł przez czytnik wprowadzonym na chwilę do ciała (igła, sonda, kapsułka). Problemem, który powinien tutaj zostać rozwiązany jest kwestia konwersji sygnału FRET na sygnał elektryczny lub optyczny. Drugim możliwym zastosowaniem jest integracja nanosieci działających wewnątrz ciała ludzkiego z sieciami WBAN (Wireless Body Area Networks) łączącymi urządzenia bezprzewodowe działające na zewnątrz ciała, przypięte do niego lub znajdujące się w jego otoczeniu. Sieci WBAN o zastosowaniach medycznych są obecnie ważnym zagadnieniem naukowym i również w Polsce prowadzone są na ten temat bardzo interesujące badania [21]. Podziękowania grantowe Praca została sfinansowana w ramach badań statutowych grant Literatura [1] Sundus Erbas-Cakmak, David A. Leigh, Charlie T. McTernan, and Alina L. Nussbaumer, Artificial Molecular Machines, Chemical Reviews 2015, 115 (18), [2] J.M. Jornet, "Fundamentals of electromagnetic nanonetworks in the terahertz band", PhD thesis, Georgia Institute of Technology, December 2013.

11 [3] Zhong Lin Wang "Towards Self-Powered Nanosystems: From Nanogenerators to Nanopiezotronics", Advanced Functional Materials 2008, 18, [4] Sebastian Canovas-Carrasco, Antonio-Javier Garcia-Sanchez, Felipe Garcia-Sanchez and Joan Garcia-Haro, "Conceptual Design of a Nano-Networking Device", Sensors 201, 1, 2104; doi: /s [5] Tadashi Nakano, Michael J. Moore, Fang Wei, Athanasios V. Vasilakos, Jianwei Shuai, "Molecular Communication and Networking: Opportunities and Challenges", IEEE Transaction on NanoBioscience, June 2012, vol. 11, no. 2, pp [] T. Nakano, T. Koujin, T. Suda, Y. Hiraoka, and T. Haraguchi, "A locally induced increase in intracellular ca 2+ propagates cell-to-cell in the presence of plasma membrane atpase inhibitors in non-excitable cells", FEBS Letters, vol. 583, no. 22, pp , [7] Bartłomiej Fornal "Analiza mechanizmów komunikacji molekularnej", praca magisterska, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, Kraków [8] Nariman Farsad, H. Birkan Yilmaz, Andrew Eckford, Chan-Byoung Chae, Weisi Guo, "A Comprehensive Survey of Recent Advancements in Molecular Communication", IEEE Communications Surveys & Tutorials, 201, vol. 18, no. 3, pp [9] M. Gregori, I. F. Akyildiz, "A New NanoNetwork Architecture Using Bacteria and Catalytic Nanomotors", IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2010, vol. 28 no. 4, pp [10] L. C. Cobo, I. F. Akyildiz, "Bacteria-based communication in nanonetworks", Nano Communication Networks 01/2010 pp [11] I.F. Akyildiz, F. Brunetti, C. Blazquez, "NanoNetworking: A New Communication Paradigm", Computer Networks (Elsevier) Journal, vol. 52, pp , August, [12] T. Förster "Zwischenmolekulare Energiewanderung und Fluoreszenz", Annalen der Physik, vol. 437, no. 1 2, pp , [13] L. Stryer "Fluorescence energy transfer as a spectroscopic ruler", Annual Review of Biochemistry, vol. 47, pp , [14] L. Parcerisa, I.F. Akyildiz, "Molecular Communication Options for Long Range Nanonetworks", Computer Networks (Elsevier) Journal, vol. 53, pp , [15] M. Kuscu, O.B. Akan "A Physical Channel Model and Analysis for Nanoscale Communications with Förster Resonance Energy Transfer (FRET)," IEEE Transactions on Nanotechnology, vol. 11, no. 1, pp , January 2012.

12 [1] M. Kuscu, O.B. Akan "Multi-Step FRET-Based Long-Range Nanoscale Communication Channel", IEEE Journal on Selected Areas in Communications (JSAC), vol. 31, no. 12, pp , December [17] Krzysztof Wojcik, Kamil Solarczyk, Pawel Kulakowski, "Measurements on MIMO- FRET nano-networks based on Alexa Fluor dyes", IEEE Transactions on Nanotechnology, May 2015, vol. 14, no. 3, pp [18] Jakub Kmiecik, Pawel Kulakowski, Krzysztof Wojcik, Andrzej Jajszczyk, "Communication via FRET in Nanonetworks of Mobile Proteins", 3rd ACM International Conference on Nanoscale Computing and Communication, article no. 32, New York, USA, September 201. [19] Kamil Solarczyk, Krzysztof Wojcik, Pawel Kulakowski, "Nanocommunication via FRET with DyLight Dyes using Multiple Donors and Acceptors", IEEE Transactions on NanoBioscience, April 201, vol. 15, no. 3, pp [20] Pawel Kulakowski, Kamil Solarczyk, Krzysztof Wojcik, Routing in FRET-Based Nanonetworks, IEEE Communications Magazine, September 2017, vol. 55, no. 9, pp [21] S.J. Ambroziak, L.M. Correia, R.J. Katulski, M. Mackowiak, C. Oliveira, J. Sadowski, K. Turbic, "An Off-Body Channel Model for Body Area Networks in Indoor Environments", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 4, no. 9, p , 201.

13 KOMUNIKACJA W NANOSKALI NANOSCALE COMMUNICATIONS Streszczenie: Artykuł stanowi przegląd najważniejszych wypracowanych dotychczas mechanizmów i technik nanokomunikacji. Zaprezentowane zostaną podstawowe podejścia do rozwoju nanomaszyn i komunikacji takie jak miniaturyzacja klasycznych urządzeń bezprzewodowych, konstruowanie nanomaszyn z pojedynczych molekuł oraz adoptowanie istniejących struktur biologicznych. Omówione zostaną podstawy nanokomunikacji w paśmie terahercowym oraz komunikacji molekularnej. Szczegółowo scharakteryzowany zostanie proces FRET (Förster Resonance Energy Transfer) i wykorzystujące go metody szybkiej transmisji sygnału w sieciach nanomaszyn oraz techniki rutingu. Abstract: The paper is a review of the most important mechanisms and techniques for nanocommunications. Three basic approaches will be presented: (a) top-down, based on miniaturization of the solutions already used in wireless communications, (b) bottom-up, i.e. building nanomachines from single molecules and (c) bio-hybrid, which is based on adopting the processes known from the biology. Terahertz communications will be commented, as well as the basic mechanisms of molecular communications. The Förster Resonance Energy Transfer (FRET) will be characterised in details and the FRETbased techniques of low-delay communication and routing will be introduced. Słowa kluczowe: Nanokomunikacja, komunikacja molekularna, komunikacja w paśmie THz, FRET, MIMO, ruting, zastosowania medyczne. Keywords: Nanocommunications, molecular communications, terahertz communications, FRET, MIMO, routing, medical applications.