В будущем биоимпланты и крошечные машины смогут активно функционировать внутри нашего организма, помогая лечить болезни, восстанавливать повреждения или следить за здоровьем. Но такие устройства должны уметь взаимодействовать между собой, что является нетривиальной задачей. Ученые из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL, Швейцария) разработали систему, позволяющую наноботам обмениваться информацией путем высвобождения специальных молекул в кровь пациента.
Проблема обмена информацией
У любых машин или электронных устройств, которые внедряются в организм человека, возникает проблема с передачей данных. Прокладывать провода через все тело не только неудобно, но и довольно опасно, так как они повышают риск инфекции или отторжения. Беспроводные технологии, такие как радио, свет или Bluetooth, не очень хорошо передаются через человеческую ткань, что существенно ограничивает их дальность и эффективность. Если же речь идет о внедрении в организм наноботов, которые могут передвигаться по телу, задача становится еще более сложной.
Ученые из EPFL продемонстрировали систему, которая может стать решением этой проблемы. Концепция получила название “биомолекулярная коммуникация”.
Как это работает?
Идея заключается в том, чтобы позволить микро- или нанороботам и имплантатам взаимодействовать между собой, высвобождая специфические молекулы в кровь. В наличие такой молекулы может быть интерпретировано устройством-получателем как 1, а отсутствие - как 0.
“Биомолекулярная коммуникация стала наиболее подходящей парадигмой для сетевых наноимплантов. Это невероятная идея: мы можем отправлять данные, закодировав их в молекулы, которые затем проходят через кровоток, и мы можем взаимодействовать с ними, указывая им, когда освобождать лекарства, так же, как это происходит с гормонами”, - говорит Хайтам Аль Хассание, один из авторов исследования.
Для разработки системы команда адаптировала к молекулярной сети уже существующие техники электронной сетевой связи, такие как обнаружение пакетов, оценка канала и схемы кодирования и декодирования. Это помогло преодолеть проблемы, возникающие в связи с биологией, такие как нестабильные каналы, а также отсутствие синхронизации и обратной связи.
Исследователи протестировали технологию на синтетической кровеносной системе в лаборатории. Система включала трубы и насосы, которые имитировали сосуды и сердце. Тесты показали, что техника эффективно работает сразу с четырьмя устройствами, передающими молекулярные сигналы одновременно. Обмен данными при этом происходит эффективнее, чем при использовании других существующих методов.
Конечно, успех в лабораторных испытаниях не обязательно гарантирует, что технология будет применяться в реальной жизни. Ученые признают, что при работе внутри живых пациентов нужно будет учитывать гораздо больше различных факторов. Тем не менее, это важный и многообещающий первый шаг.
Результаты исследования были представлены на конференции ACM SIGCOMM 2023 в сентябре.
