Komunikacja w nanoskali Pawel Kulakowski, KT AGH 1
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
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
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
Interdyscyplinarność naukowcy z laboratorium sieci komputerowych studiujący: - biologię - chemię konieczność prac doświadczalnych kontakty z biologami podejście do eksperymentu, oczekiwane wyniki, metody pracy 5
Motywacja dla rozwoju dziedziny ELEKTRONIKA NANOTECHNOLOGIA TELEKOMUNIKACJA NANOKOMUNIKACJA 6 I.F. Akyildiz, F. Brunetti, C. Blazquez, "NanoNetworking: A New Communication Paradigm", Computer Networks, 2008.
Rozmiary cząsteczek i urządzeń 7
Podejścia do problemu 1. Miniaturyzacja (top-down) - nowe materiały: nanorurki węglowe i grafen - pasmo 0.1-10 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
Mechanizmy komunikacji molekularnej DNA: 215 PB/g! 9 T. Nakano, A. W. Eckford, and T. Haraguchi, Molecular Communications., Cambridge Univ. Press, 2013
Szybkość propagacji sygnału Mechanizmy molekularne < 50 µm/s (5 10-5 m/s) Förster Resonance Energy Transfer (FRET) 1 m/s 10
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, 1948. 11
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 ", 2012. 12
Komunikacja wieloskokowa FRET 13
Komunikacja w sieci nanomaszyn 14
Transmisja Modulacja ON-OFF MIMO-FRET i ruting? 15
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.
Techniki rutingu w nanosieciach opartych na FRET 2. Fluorofory o zmiennych charakterystykach widmowych: przed przełączeniem po przełączeniu 17
Techniki rutingu w nanosieciach opartych na FRET 3. Wygaszacze: 18
Techniki rutingu w nanosieciach opartych na FRET 4. Białka o zmiennym kształcie: punkt zgięcia cząsteczki miozyny 19
Techniki rutingu w nanosieciach opartych na FRET 5. Syntaza ATP: napięcie elektryczne rotacja cząsteczki syntazy ATP 20
Komunikacja między różnymi rodzajami sieci 21 P. Kulakowski, K. Turbic, L. Correia, submitted to IEEE Wireless Communications Magazine, 2019.
Wyniki eksperymentalne
Sieć antyciał (Ab) i barwników Alexa Fluor (AF) antyciało (białko) = nanosensor barwnik (AF) = nano nadajnik/odbiornik antyciała w eksperymencie: immunoglobulin G 23 23
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.
Ruting pod mikroskopem konfokalnym Leica około 108 nanosieci 25 25
Scenariusz pod mikroskopem konfokalnym Leica 26 P. Kulakowski, K. Solarczyk, K. Wojcik, Routing in FRET-Based Nanonetworks, IEEE Communications Magazine, 2017.
Prace symulacyjne bliżej badań stosowanych
Pytanie 1: Jak generować sygnały WEJŚCIOWE? WZBUDZENIE, FRET, EMISJA: Tx Rx LASER? 28
Pytanie 1: Jak generować sygnały WEJŚCIOWE? CHEMICZNE WZBUDZENIE, FRET, EMISJA: Tx: Luc Rx Zamiast barwników: LUCYFERAZA (cząsteczka wzbudzana energią chemiczną) 29
Pytanie 2: Jak odbierać sygnały WYJŚCIOWE? CHEMICZNE WZBUDZENIE, FRET, EMISJA: Luc Rx 30
Pytanie 2: Jak odbierać sygnały WYJŚCIOWE? CHEMICZNE ZMIANA WZBUDZENIE, FRET, POTENCJAŁU: ChR: Luc ChR + + + + + RODOPSYNA (po wzbudzeniu, otwiera kanał dla jonów +) + + ++ + + + + + 31
System zbierania danych wew. ciała ludzkiego 32
Komunikacja MIMO-FRET 33 J. Kmiecik, K. Wojcik, P. Kulakowski, A. Jajszczyk, in revision in Nano Communication Networks
Komunikacja z modulacją ON-OFF 170 nm 170 nm 6 nm (2500 cząsteczek) FRET 75 nm 75 nm 5 nm (900 cząsteczek) 34
Transmisja do komórek nerwowych 35 J. Kmiecik, P. Kulakowski, K. Wojcik, A. Jajszczyk, ACM/IEEE NanoCom Conference, 2018.
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
Dziękuję bardzo! Pawel Kulakowski, KT AGH