Amerykańskim naukowcom udało się z powodzeniem wprowadzić nanosieci do komórek ludzkiego ciała i umożliwić im komunikację z aplikacjami IoT (Internet of Things) opartymi na mikroorganizmach. Celem jest możliwość podawania leków przez Internet oraz monitorowanie i kontrolowanie w czasie rzeczywistym wewnętrznych procesów biologicznych człowieka. W tym celu naukowcy połączyli czujniki nanotechnologiczne w komórkach ludzkich z substancjami mikrobiologicznymi, które z kolei mogą generować elektrony z cząsteczkami. Ta sieć komponentów biologicznych i elektronicznych, może łączyć się z urządzeniami zewnętrznymi. Dane ciała można następnie przesyłać na platformy IoT, analizować i odtwarzać stronom trzecim w celu dalszego wykorzystania. Krótko mówiąc, jest to proces połączenia żywych komórek biologicznych z Internetem. Idea integracji sieci komputerowych i organizmu ludzkiego napędza badania w wielu obszarach.
„Chcemy rozszerzyć elektroniczne przetwarzanie informacji o biologię” – powiedział w komunikacie prasowym William E. Bentley, główny badacz na Uniwersytecie Maryland. „Naszym celem jest włączenie komórek biologicznych do obliczeniowego procesu decyzyjnego”.
Ale zacznijmy od początku, bo sprawa wydaje się się nieco bardziej złożona...
Internet Rzeczy - Internet of Things
Internet rzeczy, czyli IoT, to sieć powiązanych ze sobą urządzeń, które łączą się i wymieniają dane z innymi urządzeniami IoT i chmurą za pośrednictwem takich platform łączności jak Wi-Fi, Bluetooth i mobilny Internet. Urządzenia IoT są zazwyczaj wyposażone w technologię, taką jak czujniki i oprogramowanie, i mogą obejmować maszyny mechaniczne i cyfrowe oraz przedmioty konsumenckie. Dzięki IoT dane można przesyłać za pośrednictwem sieci bez konieczności interakcji człowiek-człowiek lub człowiek-komputer.
Rzeczą w Internecie Rzeczy może być osoba z wszczepionym monitorem pracy serca, zwierzę hodowlane z transponderem biochipu, samochód z wbudowanymi czujnikami ostrzegającymi kierowcę o niskim ciśnieniu w oponach lub jakikolwiek inny naturalny lub sztucznie wykonany obiekt, któremu można przypisać adres protokołu internetowego i który może przesyłać dane w sieci.
Coraz częściej obserwujemy, jak technologia IoT łączy się z systemami i urządzeniami zdolnymi do podejmowania decyzji i odpowiadania na pytania za pomocą sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego, a biorąc pod uwagę informacje, które zebrane są w tym artykule, nie jest to optymistyczna zapowiedź.
Pierwszy raz terminu IoT użył w 1999 roku Kevin Ashton, ekspert w dziedzinie innowacji cyfrowych. Przez kolejne 16 lat Internet rzeczy stał się przedmiotem badań i rozwoju. Agencje rządowe i przemysł na całym świecie dokonywały i nadal kontynuują znacznych inwestycji w Internet rzeczy.
W 2015 roku, na stronie IEEE czytamy: „Chociaż badania i rozwój ogólnych urządzeń IoT są kontynuowane, istnieje wiele dziedzin zastosowań, w których potrzebne są bardzo małe, ukryte i nieinwazyjne elementy. Właściwości ostatnio badanych nanomateriałów, takich jak grafen, zainspirowały koncepcję Internetu Nano Rzeczy (IoNT), opierającą się na wzajemnym połączeniu urządzeń w skali nano.
W 2016 roku pojawił się artykuł, który był częścią specjalnego raportu na temat 10 najważniejszych nowych technologii 2016 roku, opracowanego przez Światowe Forum Ekonomiczne.
Internet rzeczy (IoT), zbudowany z niedrogich mikroczujników i mikroprocesorów w połączeniu z maleńkimi zasilaczami i antenami bezprzewodowymi, szybko rozszerza wszechświat online, od komputerów i gadżetów mobilnych po zwykłe elementy świata fizycznego: termostaty, samochody, zamki do drzwi, a nawet urządzenia śledzące zwierzęta. Eksplozja połączonych ze sobą przedmiotów, szczególnie tych monitorowanych i kontrolowanych przez systemy sztucznej inteligencji, zaczęła nadawać zwykłym rzeczom nowych możliwości – na przykład dom, który otwiera drzwi wejściowe, gdy rozpoznaje, że jego właściciel wraca do domu z pracy, lub wszczepiony monitor pracy serca, który wzywa lekarza, jeśli narząd wykazuje oznaki niewydolności. Ale prawdziwy wielki wybuch w internetowym wszechświecie, zdaje się ze dopiero ma nadejść.
IoE – Internet of Everything I IoBNT -Internet of Bio Nano Things
Współczesny krajobraz technologii informacyjno-komunikacyjnych (ICT) podlega szybkiej ewolucji, napędzanej przez rozprzestrzenianie się aplikacji Internetu rzeczy (IoT). Zastosowania te opierają się na wzajemnym połączeniu ogromnej liczby heterogenicznych urządzeń, które ściśle współdziałają ze światem fizycznym, wykorzystując szereg technologii wykrywania i komunikacji. Postępy w biotechnologii i nanotechnologii, zwłaszcza w biologii syntetycznej i nanomateriałach, torują drogę do kolejnego ważnego kamienia milowego: rozszerzenia kontroli i łączności na skalę uniwersalną, obejmującą złożony świat biotyczny, ostatecznie służąc holistycznej wizji Internetu Wszystkiego (IoE).
Centralnym elementem wizji IoE, która czerpie inspirację z rozległej łączności i różnorodnych cech sieciowych wszechświata, jest wyłaniająca się platforma Internetu Bio-Nano Rzeczy (IoBNT), która obejmuje współpracujące sieci Bio-Nano Rzeczy (BNT). Sieci składają się z różnorodnych podmiotów świadomych kontekstu, w tym istot biologicznych i sztucznych urządzeń w mikro/nanoskali, takich jak zmodyfikowane bakterie i nanosensory, które ściśle oddziałują ze swoimi naturalnymi odpowiednikami w złożonych środowiskach biologicznych.
IoBNT jest w stanie płynnie połączyć świat cyfrowy i biologiczny w sposób i w rozdzielczości czasoprzestrzennej, które były wcześniej niewyobrażalne. Dlatego też, zgodnie z podstawową wizją IoE polegającą na zapewnieniu łączności w niespotykanych dotychczas domenach, oczekuje się, że IoBNT odegra kluczową rolę w przezwyciężaniu wyzwań związanych z heterogenicznością i skalowalnością IoE- Internet of Everything. W związku z tym BNT i platforma IoBNT stanowią kluczowe elementy Internetu Wszechrzeczy, stanowiące podstawę rozwoju naszej łączności do skali uniwersalnej i otwierające szeroki wachlarz możliwości opracowywania nowatorskich zastosowań, szczególnie w „opiece zdrowotnej“. I to właśnie ta dziedzina poniekąd utorowała drogę do wprowadzenie IoBNT.
Rozwój IoT
Jednym z ciągłych dążeń w dziedzinie IoT było pomniejszanie urządzeń, chipsetów i czujników w zminiaturyzowaną konstrukcję o bardzo niskim poborze mocy, jednak pod względem niewielkich rozmiarów nic nie przebije pomysłu wykorzystania żywych komórek biologicznych do przesyłania informacji w ramach powstającej dziedziny zwanej Internetem Bio-Nano Rzeczy (IoBNT). Koncepcja Internetu Bio-NanoRzeczy zakłada połączenie komórek biologicznych z Internetem.
Internet rzeczy Bio-Nano (IoBNT) można zdefiniować jako wyłaniającą się poddziedzinę Internetu Rzeczy, w której „organizmy biologiczne, bakterie i organizmy syntetyczne w skali nano” odpowiadają obiektom IoT. Dzięki temu można je dostosować do współpracy z rzeczywistymi środkami komunikacji, takimi jak Internet. Produkty bionano są wdrażane w postaci nanosieci wewnątrz ludzkiego ciała do zastosowań rzekomo biomedycznych. Ponieważ te żywe komórki już reagują na bodźce otoczenia poprzez pola elektromagnetyczne, światło, naprężenia temperaturowe i ciśnienie mechaniczne, stanowią one skuteczne zamienniki czujników opartych na chipach ze względu na ich dodatkową czułość.
Ramy IoBNT przewidują integrację BNT z konwencjonalnymi sieciami komunikacyjnymi za pośrednictwem płynnych interfejsów biocyber, umożliwiając w ten sposób nowatorskie zastosowania, takie jak zdalne i ciągłe monitorowanie stanu zdrowia za pomocą sieci nanobiosensorów wewnątrz ludzkiego ciała, teranostyczne inteligentne systemy dostarczania leków, które można zdalnie monitorować i kontrolować, rozproszone wykrywanie środków chemicznych za pomocą zmodyfikowanych sieci bakterii w różnych środowiskach, sztuczne sieci biochemiczne, które zastępują lub wzmacniają ich naturalne odpowiedniki w leczeniu chorób i wiele innych.
Inspiracja do powstania Internetu Rzeczy Bio-Nano
Każda komórka biologiczna lub bakteria jest podstawową jednostką życia. Argumentowano, że ponieważ podstawowa struktura komórki jest niezwykle podobna do urządzenia IoT, można ją wykorzystać do transmisji danych. Choć może to brzmieć fantazyjnie, analogie w rzeczywistości opierają się na rygorystycznych dowodach naukowych IEEE (Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników, IEEE – organizacja typu non-profit skupiająca osoby zawodowo związane z elektrycznością i elektroniką, a także pokrewnymi dziedzinami. Powstała w 1963 roku, w wyniku konsolidacji Amerykańskiego Instytutu Inżynierów Elektryków oraz Instytutu Inżynierów Radiowych).
Istnieje cała dziedzina zwana biologią syntetyczną, w której bada się komórki biologiczne podobnie jak projekty scalonych obwodów elektronicznych. Niektóre z jego zastosowań obejmują tworzenie komputerów biologicznych, bioczujników, a nawet życia syntetycznego.
Jak pokazano na powyższym schemacie, jądro i rybosomy takiej komórki biologicznej odpowiadają jednostkom sterującym lub procesorom obiektu IoT. Cytoplazma jest podobna do jednostki pamięci, a receptory chemiczne działają jak czujniki. Mitochondria działają podobnie do nadajnika-odbiornika, a wici/rzęski do siłowników.
Powszechne bakterie E. coli i Lactobacillus występujące w ludzkich jelitach mogą być stosowane jako substytuty Raspberry Pi – do zasilania małych obiektów w skali nano. (Raspberry Pi to bardzo tani komputer z systemem Linux, ale wyposażony również w zestaw pinów GPIO (ogólnego przeznaczenia wejście/wyjście), umożliwiający sterowanie komponentami elektronicznymi do obliczeń fizycznych i eksplorację Internetu rzeczy (IoT)). Badacze Raphael Kim i Stefan Poslad z Queen Mary University w Londynie zasugerowali, że E.coli, pospolitą bakterię występującą w ludzkich jelitach, można przeprojektować jako „Raspberry Pi”. Firma o nazwie Amino Labs użyła takiego modułu Pi do stworzenia bakterii E.coli, która umożliwia wytwarzanie białek o różnych kolorach.
Internet rzeczy Bio-Nano (IoBNT)
Reasumujac - Internet Bio-Nano Rzeczy (IoBNT) to dziedzina, w której procesy biochemiczne zachodzące w organizmie człowieka komunikują się z cyberświatem Internetu. Paradygmat IoBNT wywodzi się z narzędzi biologii syntetycznej i nanotechnologii i umożliwia konstruowanie biologicznych wbudowanych urządzeń komputerowych zwanych nanomaszynami.
Nanomaszyny to potężne i funkcjonalne maleńkie urządzenia stworzone przez człowieka. Funkcjonalność tych urządzeń inspirowana jest zachowaniem struktur atomowych i molekularnych złożonych z komponentów w nanoskali.
Funkcjonują nie tylko jako komputery, ale także nawiązują połączenia ze środowiskiem (ciałem ludzkim), aby wykryć wielkość fizyczną, taką jak żywe organizmy.
Komunikacja wewnątrz ludzkiego ciała jest tak stara jak istnienie ludzkości. W istocie ciało ludzkie jest wielkoskalową heterogeniczną siecią komunikacyjną składającą się z nanosieci, ponieważ składa się z miliardów oddziałujących na siebie nanomaszyn, tj. komórek, których funkcje zależą przede wszystkim od komunikacji molekularnej w nanoskali.
Te naturalne BNT oddziałują poprzez niekonwencjonalne metody komunikacji, takie jak wymiana sygnałów biochemicznych i elektrochemicznych w różnych środowiskach fizjologicznych.
Na obrazku wnętrze jednej komórki ludzkiej.
Jak komunikują się sztuczne BNT?
IoBNT stwarza wiele wyzwań, z których najważniejszym jest zapotrzebowanie na innowacyjne technologie komunikacyjne, które będą w stanie wytrzymać hałaśliwe i dynamiczne media, takie jak środowiska biologiczne wewnątrz ciała. Technologie te muszą nadawać się do dostosowania do skali mikro/nano oraz różnorodnych właściwości biotycznych i abiotycznych BNT.
Nanomaszyny są w stanie samodzielnie wykonywać jedynie trywialne zadania; dlatego komunikacja między nanomaszynami jest bardzo ważna przy realizacji bardziej złożonych zadań.
Technologie komunikacji nanomaszynowej dzielą się na cztery grupy, a mianowicie:
- Komunikacja elektromagnetyczna w nanoskali
- Komunikacja akustyczna w nanoskali
- Komunikacja mechaniczna w nanoskali
- Komunikacja molekularna
Komunikacja elektromagnetyczna w nanoskali
Ten rodzaj komunikacji opiera się na transmisji i odbiorze fal elektromagnetycznych pomiędzy nowatorskimi nanomateriałami, takimi jak nanorurki węglowe i nanowstążki na bazie grafenu. Tradycyjny moduł nadawczo-odbiorczy klasycznej komunikacji bezprzewodowej nie jest możliwy do zastosowania w komunikacji w skali nano, jednakże nowatorskie nanomateriały na bazie grafenu wykazały potencjał pozwalający pokonać to ograniczenie. Przewiduje się, że przyszłe nanosieci elektromagnetyczne będą działać w paśmie terahercowym.
Komunikacja akustyczna w nanoskali
Komunikacja akustyczna realizowana jest poprzez transmisję fal ultradźwiękowych przez zintegrowane przetworniki nanomaszynowe. Przetworniki te powinny być w stanie wykrywać zmiany ciśnienia i następnie odpowiednio reagować.
Komunikacja mechaniczna w nanoskali
W komunikacji nanomechanicznej informacje są przesyłane za pośrednictwem nanomaszyn, które są fizycznie połączone. Jedną z głównych wad tej techniki komunikacji w kontekście komunikacji nano jest fizyczne połączenie między urządzeniami. Dlatego nie nadaje się do zastosowań, w których nanomaszyny muszą być umieszczane w odległych lokalizacjach.
Komunikacja molekularna
Źródło obrazu: IEEE Xplore
Komunikacja molekularna (MC) to paradygmat komunikacji oparty na cząsteczkach, który umożliwia przekazywanie informacji biochemicznych (np. stanu organizmów żywych), co nie jest możliwe przy użyciu tradycyjnej komunikacji. Cząsteczki zakodowane z informacją, która ma zostać przesłana, nazywane są cząsteczkami informacji. Cząsteczki informacji aktywują reakcję biochemiczną u odbiorcy i mogą odtworzyć zjawiska i/lub stan chemiczny, które następnie transmituje nadawca.
Komunikacja molekularna (MC) jest uważana za najbardziej obiecujący mechanizm sieci nano ze względu na transceivery wielkości nano, które można łatwo zintegrować z maszyną nano. MC jest inspirowane biologią i jest ściśle powiązane ze zjawiskami komunikacyjnymi istniejącymi w przyrodzie od lat. MC jest również głównym wyborem w zastosowaniach biomedycznych, które obejmują komunikację wewnątrz ciała. Różne schematy komunikacji molekularnej można podzielić na komunikację krótkiego zasięgu z wykorzystaniem sygnalizacji wapniowej, sygnalizację średniego zasięgu z wykorzystaniem silników molekularnych i sygnalizację dalekiego zasięgu z wykorzystaniem feromonów.
Podsumowujac inspirowana biologią komunikacja molekularna (MC) wyróżnia się jako główna metoda łączenia BNT, zapewniająca doskonałą biokompatybilność i interoperacyjność biotyczno-abiotyczną poprzez wykorzystanie strategii komunikacyjnych natury. Komunikacja EM w paśmie terahercowym (THz) i nanokomunikacja ultradźwiękowa, wykorzystujące odpowiednio fale EM o niezwykle wysokiej częstotliwości i fale akustyczne o wysokiej częstotliwości, stanowią dodatkowe obiecujące technologie komunikacyjne IoBNT ściśle powiązane z konwencjonalną wiedzą specjalistyczną w zakresie ICT.
Architektura Internetu Rzeczy Bio-Nano
Niekonwencjonalne metody komunikacji wymagają nowatorskich architektur urządzeń nadawczo-odbiorczych (Tx/Rx), które są również niekonwencjonalne pod względem rozmiaru, złożoności oraz funkcjonalności transmisji i odbioru.
Architektura sieciowa dla Internetu Bio Nano Things do aplikacji wewnątrz ciała.
Przykładowa architektura sieci dla IoBNT do zastosowań terapeutycznych w środowisku AAL (Ambient Assisted Living AAL - Życie wspomagane otoczeniem)
Architektura IoBNT jest rozszerzoną wersją paradygmatu Internetu Rzeczy IoT. IoBNT wykorzystuje szkielet komunikacji cybernetycznej IoT. Główna różnica dotyczy warstwy percepcji, w której rozmieszczone są czujniki. Czujniki stosowane w IoBNT są wykonane w skali nano.
Niektóre z najbardziej zaawansowanych jak dotąd nanosensorów zostały stworzone przy użyciu narzędzi biologii syntetycznej do modyfikowania organizmów jednokomórkowych, takich jak bakterie. Celem było zbudowanie prostych biokomputerów, które będą wykorzystywać DNA i białka do rozpoznawania określonych celów chemicznych, przechowywania kilku fragmentów informacji, a następnie raportowania ich stanu poprzez zmianę koloru lub emisję innego, łatwo wykrywalnego sygnału.
Wiele nanoczujników wykonano również z materiałów niebiologicznych, takich jak nanorurki węglowe, które mogą zarówno wykrywać, jak i sygnalizować, działając jak nanoanteny bezprzewodowe. Ponieważ są tak małe, nanosensory mogą zbierać informacje z milionów różnych punktów. Urządzenia zewnętrzne mogą następnie integrować dane w celu wygenerowania niezwykle szczegółowych map pokazujących najmniejsze zmiany w świetle, wibracjach, prądach elektrycznych, polach magnetycznych, stężeniach substancji chemicznych i innych warunkach środowiskowych.
Rysunek koncepcyjny aplikacji IoBNT do ciągłego monitorowania stanu zdrowia, obejmującej rozproszone wewnątrz ciała nanosieci MC biosensorów oraz interfejs biocybernetyczny łączący nanosieci i sieci konwencjonalne.4 (b) MC wśród zmodyfikowanych bakterii i pomiędzy BNT opartymi na GRM. Przedrukowano za zgodą Kuscu i in., Proc. IEEE 107(7), 1302–1341 (2019). Prawa autorskie 2019 IEEE.
Ostatnie postępy w zakresie nanomateriałów i technik nanofabrykacji ułatwiły znaczny postęp w projektowaniu oraz wytwarzaniu praktycznych urządzeń nadawczo-odbiorczych (Tx/Rx) dla niekonwencjonalnych sposobów komunikacji. W szczególności grafen i materiały pokrewne (GRM) ze swoimi wyjątkowymi właściwościami elektrycznymi, optycznymi, biochemicznymi i mechanicznymi, biokompatybilnością oraz łatwością wytwarzania i integracji wykazują ogromny potencjał w tej dziedzinie. Wysoki stosunek powierzchni do objętości grafenu sprawia, że jest on bardzo wrażliwy na biomolekuły, co umożliwia wykrywanie szerokiej gamy sygnałów molekularnych w środowiskach biologicznych. Dodatkowo odpowiedź plazmoniczna grafenu wspomaga emisję i detekcję promieniowania THz, a jego wyjątkowe właściwości termofotoakustyczne umożliwiają szerokopasmową emisję sygnałów ultradźwiękowych o wysokiej częstotliwości.
Samowystarczalność energetyczna ma kluczowe znaczenie dla większości zastosowań IoBNT, wymagając od BNT gromadzenia energii ze źródeł otoczenia i magazynowania jej do ciągłej pracy. Rozwój zminiaturyzowanych urządzeń do pozyskiwania energii i komponentów do magazynowania energii opiera się w dużej mierze na nanomateriałach i technologiach mikro/nanofabrykacji, które mogą również ułatwić integrację komponentów IoBNT na chipie. GRM, dzięki swoim niezwykłym właściwościom elektromechanicznym i elastyczności, znalazły szerokie zastosowanie w tych technologiach. Ich wyjątkowa przewodność elektryczna i cieplna oraz wytrzymałość mechaniczna sprawiają, że nadają się do wykorzystania różnych źródeł energii otoczenia, w tym wibracji mechanicznych, dźwięku, ciepła i światła. Co więcej, GRM o dużej powierzchni właściwej, wysokiej przewodności elektrycznej i stabilności elektrochemicznej wykazują ogromny potencjał jako wysokowydajne materiały elektrod aktywnych do mikrosuperkondensatorów (MSC), czyli nowej technologii umożliwiającej realizację zintegrowanych komponentów magazynujących energię w mikro/nanoskali dla BNT.
Połączenie sieci BNT i IoBNT, które częściowo lub całkowicie opierają się na wymianie sygnałów molekularnych w trudnych środowiskach biologicznych, z konwencjonalnymi sieciami komunikacyjnymi opartymi na EM stanowi kolejne istotne wyzwanie, wymagające interfejsów biocyber lub nano-makro. Interfejsy te przekładają sygnały biochemiczne na inne formy fizyczne, takie jak elektryczne, optyczne lub elektromagnetyczne, które mogą być przetwarzane przez konwencjonalne urządzenia ICT i odwrotnie.
Istniejące interfejsy neuronowe, biosensory elektryczne i urządzenia do dostarczania leków oferują cenne informacje na temat projektowania interfejsów biocybernetycznych dla IoBNT. Nanomateriały, w szczególności GRM, wyróżniają się w tych nowych technologiach ze względu na ich wyjątkową zdolność do przekształcania sygnałów pomiędzy różnymi formami. Inspirujące przykłady obejmują grafenowe czujniki z tranzystorami polowymi (FET), które przekształcają stężenia biomolekuł na sygnały elektryczne oraz nanokompozyty GRM, które uwalniają cząsteczki leku po stymulacji elektrycznej.
Rzeczy Bio-Nano
Poniżej znajduje się opis wszystkich podmiotów zaangażowanych w architekturę IoBNT.
Bio-Nano Things to biologiczne maszyny obliczeniowe, które zbierają dane sensoryczne z otoczenia (wewnątrz ludzkiego ciała) i przekazują je do interfejsu biocyber. Rzeczy bionano są używane zamiennie z nanomaszynami.
W opracowaniu wydajnych i nowatorskich nanomaszyn oraz w zrozumieniu mechanizmu komunikacji między nanomaszynami pomocne okazało się badanie architektury komórek biologicznych i ich interakcji.
Poniżej znajduje się pięć elementów nanomaszyn.
1. Jednostka sterująca: Zawiera wbudowane oprogramowanie, którego zadaniem jest realizacja zamierzonego zadania nanomaszyny. Jednostka sterująca steruje wszystkimi pozostałymi komponentami i może posiadać jednostkę magazynującą. Jądro komórki biologicznej odpowiada za realizację zamierzonych zadań. Podobnie jak w programowych wyrażeniach warunkowych, biologiczna jednostka kontrolna koduje struktury białkowe, jednostki danych i sekwencje regulacyjne.
2. Jednostka komunikacyjna: Mechanizm komunikacyjny nanomaszyny realizowany jest poprzez transceivery. Transceivery umożliwiają wbudowanemu systemowi wymianę informacji poprzez przesyłanie i odbieranie komunikatów na poziomie nano. Komunikacja międzykomórkowa odbywa się poprzez połączenia szczelinowe, receptory hormonalne i feromonowe umieszczone na błonie komórkowej.
3. Jednostka reprodukcyjna: Zawiera instrukcje wytwarzania elementów nanomaszyn, a następnie ich replikacji. Proces ten zachodzi podczas replikacji nanomaszyn poprzez zapisanie kodu nanomaszyn w sekwencjach molekularnych.
4. Jednostka zasilająca: Jednostka zasilająca dostarcza zmagazynowaną energię do wszystkich pozostałych elementów nanomaszyn w celu utrzymania prądu elektrycznego we wbudowanym oprogramowaniu. Mitochondrium, chloroplast i trifosforan adenozyny to tylko niektóre z substancji komórkowych, które odpowiadają zewnętrznym reakcjom chemicznym w celu wytworzenia energii. Ta energia chemiczna jest magazynowana w zbiornikach komórkowych i dostarczana w celu regulacji innych składników komórki.
5. Czujnik i elementy wykonawcze: To urządzenie zapewnia interfejs pomiędzy środowiskiem a nanomaszyną. Wykrywanie i uruchamianie to zdolność komórki biologicznej do rozróżniania zewnętrznych cząsteczek lub bodźców, np. chloroplastów roślin i wici bakterii.
Biocyber Interface
Interfejs Biocyber to wyspecjalizowane mikrourządzenie, które zwykle wszczepia się w zewnętrzne części ciała. Biocyber Interface działa jako jednostka transdukcyjna, która przekształca sygnały biochemiczne z organizmu ludzkiego na sygnały elektryczne, a polecenia elektryczne pochodzące od podmiotów świadczących opiekę zdrowotną na sygnały biochemiczne do komunikacji wewnątrz ciała. Interfejs Bio Cyber ma możliwość komunikacji bezprzewodowej, która służy do komunikacji z urządzeniami-bramkami. Częstotliwość komunikacji interfejsu biocyber jest celowo utrzymywana na niskim poziomie, aby fale elektromagnetyczne o wysokiej częstotliwości nie zakłócały normalnego funkcjonowania organizmu.
Elektroniczny tatuaż może być używany jako bio-cyberinterfejs do komunikacji z biologiczną nanosiecią ciała (źródło obrazu: Magazyn IEEE Communications)
Urządzenia bramowe
Bramkami w IoBNT są zazwyczaj smartfony, tablety, urządzenia PDA lub inne urządzenia przenośne obsługujące komunikację bezprzewodową. Interfejs Bio Cyber komunikuje się z urządzeniami-bramkami w celu wysyłania danych i odbierania poleceń od zdalnego podmiotu świadczącego opiekę zdrowotną.
Punkt dostępu do Internetu
Mechanizmy łączności umożliwiające przekazywanie i odbieranie wiadomości od podmiotu świadczącego opiekę zdrowotną/serwera medycznego. Na przykład WiFi, 4G/5G lub inne mechanizmy komunikacji bezprzewodowej.
Serwer medyczny
Może to być usługa w chmurze służąca do przechowywania i przetwarzania danych zdrowotnych pacjentów oraz portal internetowy wykorzystywany przez świadczeniodawców do analizy raportów i wyznaczania leczenia.
Grafen i materiały pokrewne dla Internetu Bio-Nano Rzeczy
Grafen, dwuwymiarowa (2D) monowarstwa atomów węgla ułożonych w sieć krystaliczną o strukturze plastra miodu, zafascynowała badaczy swoimi niezwykłymi właściwościami elektrycznymi, optycznymi, termicznymi, mechanicznymi i biochemicznymi. Te właściwości sprawiają, że grafen jest doskonałą alternatywą dla istniejących materiałów w szerokim zakresie zastosowań nanotechnologii. Pierwsza udana izolacja grafenu z grafitu i późniejsze przełomowe eksperymenty przyniosły badaczom Nagrodę Nobla w 2010 r. O grafenie i jego szerokim zastosowaniu, a właściwie o tym, ze to grafen i jego pochodne umozliwily powstanie takiego pomysłu jak połączenie żywych komórek biologicznych z Internetem, można by pisać książki. I mnóstwo takich już powstało, wiec nie będę rozszerzać tego tematu a podam jedynie link, dla zainteresowanych, którzy będą chcieli zagłębić się w tematykę grafenu i jego udziału w tworzeniu IoBNT:
Zastosowanie grafenu dla IoBNT
W tym rozdziale przedstawiam 2 wybrane technologie biocyberinterfejsu IoBNT, w których GRM mogą zapewnić wyjątkowe korzyści.
INTERFEJSY BIOCYBEROWE OPARTE NA GRM
Ponieważ oczekuje się, że zastosowania IoBNT, takie jak ciągłe monitorowanie stanu zdrowia, będą ściśle współdziałać z systemami i tkankami biologicznymi, konieczne jest zapewnienie biokompatybilności i biotrwałości stosowanych materiałów. Doprowadziło to do zbadania podejść opartych na nanomateriałach.
Tak zwane interfejsy bio-cyber, omówione powyżej są przedmiotem szeroko zakrojonych badań, w ramach których zaproponowano różne innowacyjne metody w kontekście IoBNT, w tym te oparte na optogenetyce, THz kontroli konformacji białek, hydrożeli reagujących na bodźce, elektrochemii redoks, i biodetekcja. Metody te oferują jednokierunkowe lub dwukierunkowe połączenie biocybernetyczne z różną rozdzielczością czasoprzestrzenną.
Architektura IoBNT z biocyberinterfejsami opartymi na GRM, ułatwiającymi dwukierunkową komunikację pomiędzy nanosieciami wewnątrz ciała a sieciami konwencjonalnymi: (1) Bio-interfejs biocyber oparty na GRM, umożliwiający dwukierunkową komunikację między Internetem a sieciami wewnątrz ciała. (2) Interfejs neuronowy o wysokiej rozdzielczości oparty na GRM, łączący się z sieciami zewnętrznymi za pomocą sygnałów THz. (3) Sieć nanosensorów/siłowników monitorująca i kontrolująca skład mikrobiomu jelitowego, połączona z interfejsem biocybernetycznym za pomocą sygnałów akustycznych. (4) Plaster przezskórny na bazie GRM zapewniający sensoryczną informację zwrotną dla (2) za pośrednictwem Internetu poprzez konwersję sygnałów biochemicznych na sygnały THz i przesyłanie ich do infrastruktury internetowej w celu dalszego przetwarzania. (5) Cyberdomena Internetu.
Bioczujniki to jeden z obszarów, w którym GRM wyróżniają się biokompatybilnością, elastycznością, dużą mobilnością nośników ładunku i unikalną strukturą 2D ze znacznie wysokim stosunkiem powierzchni do objętości, co prowadzi do wyjątkowej czułości. Ich zdolność do funkcjonalizacji za pomocą różnorodnego wachlarza elementów biorozpoznawania, takich jak białka, enzymy i aptamery DNA/RNA, czyni je wszechstronnymi platformami do selektywnego łączenia się z różnymi systemami i sygnałami biochemicznymi. Warto zauważyć, że czujniki grafenowe funkcjonalizowane aptamerami wykazały monitorowanie w czasie rzeczywistym cytokin w ludzkim płynie biologicznym, co pozwoliło uzyskać bardzo czułe wykrywanie biomarkerów chorobowych. Co więcej, bioczujniki oparte na GRM mogą przetwarzać sygnały biochemiczne na szeroki zakres form sygnału, takich jak elektryczne, sygnały optyczne i elektromagnetyczne RF/mikrofalowe/THz1,110, co czyni je idealnymi kandydatami do sprostania wyzwaniom związanym z interfejsami biocybernetycznymi w IoBNT.
Bioczujniki oparte na FET, znane również jako bioFET, reprezentują powszechnie przyjętą architekturę biosensorów opartych na GRM ze względu na ich nieodłączną zdolność wzmacniania sygnału. W bioFET kanał transdukcyjny tranzystora oparty na GRM ma bezpośredni kontakt ze środowiskiem biochemicznym, a elementy biorozpoznania, czyli receptory, pełnią rolę elektrody bramkowej. Przykładowym zastosowaniem bioFET opartych na GRM są czujniki soczewek kontaktowych do noszenia (rys. ponizej), które wykrywają stężenie glukozy we łzach i bezprzewodowo przesyłają dane do urządzenia mobilnego w celu oszacowania poziomu glukozy we krwi. Wykorzystanie korelacji między poziomem biomarkerów we krwi a poziomem biomarkerów we krwi płyny ustrojowe, np. łzy, ślina i pot, które są łatwo dostępne za pomocą przenośnych bioczujników opartych na GRM, ma kluczowe znaczenie dla łączenia biocyber w zastosowaniach IoBNT, gdzie sygnały molekularne generowane przez wewnątrzustrojowe sieci MC mogą być wykrywane w sposób nieinwazyjny .
Opracowanie Koncepcji IoBNT
Koncepcję IoNT a potem IoBNT opracowali Ian F. Akyildiz i Josep Miguel Jornet z Georgia Institute of Technology w 2010 roku. Opisują oni Internet Nano Rzeczy jako „Połączenie urządzeń w skali nano z istniejącymi sieciami komunikacyjnymi i ostatecznie Internet definiuje nowy paradygmat sieciowy, zwany dalej Internetem Nano Rzeczy”.
Ian F. Akyildiz (ur. Ilhan Fuat Akyildiz 11 kwietnia 1954 r. w Stambule w Turcji) uzyskał stopnie licencjata, magistra i doktora w dziedzinie inżynierii elektrycznej i komputerowej na Uniwersytecie Erlangen-Nürnberg w Niemczech w latach 1978, 1981 i 1984 odpowiednio. Obecnie jest prezesem i dyrektorem technicznym firmy Truva Inc. od marca 1989 r. W 2021 r. przeszedł na emeryturę w Szkole Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej (ECE) w Georgia Tech[1], po prawie 35 latach pracy na stanowisku profesora przewodniczącego Kena Byersa w dziedzinie telekomunikacji i przewodniczący grupy Telecom. Od 1 czerwca 2020 r. zasiada w radzie doradczej Instytutu Innowacji Technologicznych (TII) w Abu Zabi w Zjednoczonych Emiratach Arabskich. Dr Akyildiz był kierownikiem badań Megagrant i doradcą dyrektora Instytutu Problemów Transmisji Informacji Rosyjskiej Akademii Nauk w Moskwie (Rosja) (2018-2020).
Jego obecne zainteresowania badawcze obejmują 6G/7G, systemy bezprzewodowe, komunikację TeraHertz, rekonfigurowalne inteligentne powierzchnie, nanosieci, Internet rzeczy kosmicznych/CUBESAT, Internet BioNanoThings, komunikację molekularną i komunikację podwodną.
Z perspektywy nanourządzeń Akyildiz i jego uczeń Jornet po raz pierwszy zaproponowali i zbadali zastosowanie grafenu do opracowania nanoanten do komunikacji elektromagnetycznej (EM) w nanosieciach w USA. Wykazali, że dzięki zastosowaniu wąskiej nanowstążki grafenowej (GNR) antena o długości zaledwie kilkuset nanometrów i szerokości kilkudziesięciu nanometrów może emitować fale elektromagnetyczne w paśmie terahercowym (THz) (0,1–10 THz). Ramy te służą do scharakteryzowania charakterystyki propagacji fal polarytonowych plazmonu powierzchniowego (SPP) w grafenie. Praca ta stała się kamieniem węgielnym dla nanosieci EM, a w 2017 roku uzyskano patent na tę technologię w USA.
Akyildiz i Jornet zaproponowali także plazmoniczny nanonadajnik, który wewnętrznie działa w paśmie THz, gdzie podstawowa idea opiera się na integracji tranzystorów o wysokiej mobilności elektronów III-V (HEMT) z grafenem. W 2016 roku uzyskano patent USA na tę technologię.
Akyildiz i jego doktorant Jornet opracowali także bardzo dużą plazmoniczną nanoantenę Planar Array z elementami 32x32 (w sumie 1024), którą w [34] nazwano „ultramasywnymi systemami komunikacji MIMO”, a patent na ten pomysł wydano w 2017 r.
Poniżej przedstawiam kilka slajdów z prezentacji naukowej Profesora Akyldiz z 2017 roku. Juz co najmniej od 2010 roku, wiadomym było dokąd zmierzają i wcale się z tym nawet nie kryli. Poniżej inki to pełnych prezentacji, z którymi naprawdę warto się zapoznać.
Oficjalny Cel
Szukając informacji odnośnie IoBNT, możemy znaleźć informacje na temat "cudownych zastosowań w medycynie". Te podawane dożylnie małe maszyny liczące powinny być w stanie zidentyfikować i zatrzymać zmienione procesy w organizmie. Dzięki temu pacjenci z cukrzycą, u których nagle spadnie poziom cukru we krwi, mogą natychmiast i automatycznie otrzymać dawkę insuliny inicjowaną przez te nanocząsteczki. Ich lekarze prowadzący również otrzymaliby wiadomość o zdarzeniu za pośrednictwem interfejsu serwera IoT. To samo dotyczy chorób takich jak choroba Leśniowskiego-Crohna, gdzie nanosieci mogą stymulować genetycznie zmodyfikowane bakterie w organizmie do wytwarzania określonych leków.
IoBNT przeciwko Koronie?
Największą nadzieją twórców jest jednak odkrycie nieznanych wcześniej wirusów. Technologia ta zapowiada się szczególnie pomocnie w wykrywaniu nowych wariantów infekcji. Naukowcy liczą na to ze IoBNT mógłby informować swoich użytkowników o nowo pojawiających się odmianach już znanych patogenów w ich organizmach w czasie rzeczywistym na ich urządzeniach do noszenia. Uzyskane w ten sposób dane byłyby automatycznie przekazywane lekarzom i naukowcom, którzy mogliby następnie opracować skuteczne terapie przeciwko nim. Jako przykład tego procesu podają wirus Covid19 z licznymi ewoluującymi mutacjami i leczeniem szczepionkami mRNA.
Nasuwa się jednak pytanie: czy aby na pewno chodzi tu o kwestie zdrowotne?
Bezpieczeństwo Internetu Bio-Nano Rzeczy
Zagrożenia dla zdrowia i bezpieczeństwa wynikające z IoBNT.
Łączenie ludzkiego ciała z zewnętrznym cyberświatem za pośrednictwem IoBNT stwarza szereg zagrożeń i problemów związanych z bezpieczeństwem ludzkiego ciała. Małe nanocząsteczki mogą przedostawać się do organizmu człowieka przez pory i gromadzić się w komórkach. Skutki zdrowotne takich nanocząstek nie są znane. Historyczne doświadczenia z niezamierzonymi konsekwencjami technologii, takimi jak oporność leków na antybiotyki czy utrzymywanie się substancji chemicznych, takich jak DDT, w środowisku, uczą nas, aby podejmować środki ostrożności. Wszelkie nanourządzenia wprowadzone do organizmu, celowo lub nieumyślnie, mogą być toksyczne lub wywoływać reakcje immunologiczne. Technologia ta może również umożliwić niepożądany nadzór.
Istnieje wiele możliwych zagrożeń i ataków, które można przeprowadzić w celu zakłócenia komunikacji. W swoich pionierskich pracach nad IoBNT Ian Akyildiz i członkowie jego grupy ukuli termin „Bio Cyberterroryzm” na określenie ataków IoBNT. Mechanizmy bezpieczeństwa stosowane w tradycyjnych sieciach wymagają dużej mocy obliczeniowej, która przekracza możliwości nanomaszyn. Dostępna pamięć i możliwości przetwarzania nanomaszyn są niezwykle ograniczone, co sprawia, że stosowanie złożonych algorytmów i protokołów komunikacyjnych jest niepraktyczne w reżimie nano. Istnieje ogromna asymetria pomiędzy mocą obliczeniową komputerów stacjonarnych i pojedynczej nano-maszyny. To ograniczenie może mieć wpływ na osiągalny poziom bezpieczeństwa, ponieważ ze względu na ograniczenia zasobów może być konieczne użycie krótkich kluczy, co umożliwiłoby atakującym łatwe przeprowadzanie ataków typu brute-force przy użyciu obliczeń o wysokiej wydajności, np. dostępnych za pośrednictwem kart graficznych.
Identyfikacja ataków i zagrożeń jest bardzo ważna dla zrozumienia tego z czym prawdopodobnie będziemy musieli się mierzyć. Ataki mogą być przeprowadzane przez napastników wewnętrznych oraz zewnętrznych. Osoby atakujące wewnętrznie stanowią część systemu i mają dostęp do poświadczeń i innych informacji wymaganych do komunikacji z innymi jednostkami systemu. Atakujących zewnętrznie w scenariuszu komunikacji nano można podzielić na dwa typy: atakujących lokalnych i zdalnych. Lokalni napastnicy znajdują się w pobliżu atakowanego nanosystemu. Osoby atakujące mogą przeprowadzać ataki takie jak podsłuchiwanie i fałszowanie. Zdalni atakujący muszą stać się lokalnymi atakującymi przed rozpoczęciem ataku.
Rodzaje ataków przeprowadzanych przez tych napastników to np.
- zagrożenia obejmują dostęp do systemu przez nieautoryzowanych użytkowników. W przypadku nanosieci tego typu ataki są trudne do przeprowadzenia przy wykorzystaniu komunikacji mechanicznej lub molekularnej. Jednak komunikacja elektromagnetyczna i akustyczna otwiera drzwi atakującym, ponieważ objęty obszar jest stosunkowo duży
- atakujący mogą fałszować dane lub manipulować nimi. Wstrzykiwanie fałszywych informacji do sieci może podważyć skutki zdrowotne
- biorąc pod uwagę kontekst nanosieci, atakujący może modyfikować parametry, takie jak temperatura i poziom pH, aby zakłócić komunikację.
- nieupoważnione podmioty mogą kontrolować usługi lub podmioty systemowe, wykraczając poza zwykłe zakłócanie działania systemu. Atak ten może umożliwić atakującym spowodowanie nieprawidłowego działania lub nawet przejęcie całego systemu.
Wymieniłam tylko kilka z potencjalnych zagrożeń...
Podejścia do bezpieczeństwa molekularnego roju
Uważam że warto jest również wspomnieć o rozważaniach na temat bezpieczeństwa w systemach IoBNT.
„Pojęcie roju odnosi się do grupowania pojedynczych jednostek w celu realizacji złożonych zadań, które trudno jest zrealizować w pojedynkę. Podejścia do bezpieczeństwa oparte na roju mają duży potencjał w zakresie bezpieczeństwa nanosieci, ponieważ można je wdrożyć w lekkich systemach. Tego typu podejście do bezpieczeństwa jest bardzo skuteczne, ponieważ jest solidne, samokonfigurowalne i adaptacyjne. Mechanizmy przyjęte w przyrodzie w celu obrony przed atakami i intruzami można leczyć za pomocą inteligencji roju. Podobnie nanoroboty indywidualnie mają minimalną inteligencję i możliwości, ale gdy utworzą grupę, mogą zapewnić skuteczny mechanizm przeciwko intruzom.”
Po krótkim zapoznaniu się z tym czym jest IoBNT, zakończę w tym momencie tę część artykułu. W kolejnej części spróbujemy przyjrzeć się jeszcze kilku innym zastanawiającym aspektom globalnej agendy. Wierzę jednak że jesteście na bieżąco z przekazem Indi, materiałami na kanale https://www.youtube.com/@LIGHTforEARTH1
i kropki już dawno wam się zaczęły łączyć w niepokojąca całość.
Ciąg dalszy nastąpi...
Opracowanie: Olita
Źródła: