Übertragungsfunktionsbasierte Modelle für Molekulare Kommunikationssysteme

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Rudolf Rabenstein; Professor Dr.-Ing. Robert Schober
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 430166206

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Molekulare Kommunikation (MC) ist ein aufstrebendes Forschungsgebiet an der Schnittstelle von Naturwissenschaft und Technik. MC ist eine natürliche Methode zur Kommunikation in biologischen Systemen, z. B. zwischen einem prä- und einem postsynaptischen Neuron im synaptischen Spalt oder zwischen Bakterien. Es ist zu erwarten, dass synthetische MC-Systeme die Kommunikation zwischen Nanomaschinen ermöglichen und damit den Weg bereiten für verschiedene innovative medizinische, landwirtschaftliche und industrielle Anwendungen, wie die gezielte Arzneimittelabgabe, Umweltüberwachung, und Qualitätskontrolle im Nanometer-bereich. Eine der faszinierendsten zukünftigen Anwendungen von MC ist das Internet der BioNanoDinge (IoBNT), indem es die effiziente Erkennung und Behandlung von Krankheiten im menschlichen Körper ermöglicht mithilfe eines „in-body“-Kommunikationsnetzwerks und einer externen Steuereinheit. In MC wird die Information in den Eigenschaften kleiner Partikel kodiert. Die Entwicklung der zugrundeliegenden Kommunikations- und Informationstheorie und von geeigneter Testbeds für die experimentelle Überprüfung steckt noch in den Kinderschuhen. Um dies zu ermöglichen, sind leistungsfähige und flexible analytische Modelle und schnelle Simulationsmethoden für die räumlich-zeitliche Verteilung der informationstragenden Partikel von größter Bedeutung. Einerseits werden solche Modelle und Methoden für das kommunikations- und informationstheoretische Design und die Analyse von MC-Systemen benötigt, andererseits sind sie notwendig, um die Entwicklung von (oft sehr teuren) Experimenten zu unterstützen. Leider sind die bestehenden analytischen Modelle für MC-Systeme auf sehr einfache MC-Kanäle beschränkt und beruhen oft auf unrealistischen vereinfachenden Annahmen. Existierende Simulationsmethoden sind entweder genau, aber langsam oder schnell, aber nicht aufschlussreich und geben nur wenig Aufschluss über die verschiedenen MC-Kanalparameter. Daher zielte dieses Projekt darauf ab, leistungsfähige und flexible analytische Modelle für die räumlich-zeitliche Verteilung der informationstragenden Partikel in MC-Systemen zu entwickeln. Im Rahmen des Projekts konnten wir ein Framework für die analytische Modellierung von MC-Systemen auf Basis von Übertragungsfunktionen entwickeln. Wir konnten den Ansatz anwenden, um realistischere und effizientere analytische Modelle für eine Vielzahl relevanter Komponenten von MC-Systemen zu entwickeln, für die es bisher nur approximative, numerische oder gar keine Modelle gab. Aufgrund des anwendungsorientierten Forschungsansatzes und der Veröffentlichung der entwickelten Modelle und Konzepte wird der entwickelte Modellierungsansatz auch von anderen Forschungsgruppen und in Folgeprojekten weiterverwendet. Insgesamt wurden die Ergebnisse des Projekts in 7 Zeitschriften, 7 Konferenzbeiträgen und 1 Buchveröffentlichung zusammengefasst.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Spherical Diffusion Model with Semi-Permeable Boundary: A Transfer Function Approach. ICC 2020 - 2020 IEEE International Conference on Communications (ICC), 1-7. IEEE.
  Schafer, Maximilian; Wicke, Wayan; Haselmayr, Wetner; Rabenstein, Rudolf & Schober, Robert
  
• “A String in a Room: Mixed-dimensional Transfer Function Models for Sound Synthesis,” Proc. 23rd International Conference on Digital Audio Effects (DAFx-20), Vienna, Austria, 2020.
  M. Schäfer, R. Rabenstein & S. J. Schlecht
  
• A Survey of Molecular Communication in Cell Biology: Establishing a New Hierarchy for Interdisciplinary Applications. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 23(3), 1494-1545.
  Bi, Dadi; Almpanis, Apostolos; Noel, Adam; Deng, Yansha & Schober, Robert
  
• Channel Modeling for Drug Carrier Matrices. 2021 IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM), 1-6. IEEE.
  Schafer, Maximilian; Salinas, Yolanda; Ruderer, Alexander; Enzenhofer, Franz; Bruggemann, Oliver; Schober, Robert & Haselmayr, Werner
  
• Transfer Function Models for Cylindrical MC Channels With Diffusion and Laminar Flow. IEEE Transactions on Molecular, Biological and Multi-Scale Communications, 7(4), 271-287.
  Schafer, Maximilian; Wicke, Wayan; Brand, Lukas; Rabenstein, Rudolf & Schober, Robert
  
• Channel Responses for the Molecule Release From Spherical Homogeneous Matrix Carriers. IEEE Transactions on Molecular, Biological and Multi-Scale Communications, 8(4), 212-228.
  Schafer, Maximilian; Salinas, Yolanda; Ruderer, Alexander; Enzenhofer, Franz; Bruggemann, Oliver; Martinez-Manez, Ramon; Rabenstein, Rudolf; Schober, Robert & Haselmayr, Werner
  
• Controlled signaling and transmitter replenishment for MC with functionalized nanoparticles. Proceedings of the 9th ACM International Conference on Nanoscale Computing and Communication, 1-7. ACM.
  Schäfer, Maximilian; Brand, Lukas; Lotter, Sebastian; Büyükoglu, Atakan; Enzenhofer, Franz; Haselmayr, Werner; Castiglione, Kathrin; Appelhans, Dietmar & Schober, Robert
  
• Signal Reception With Generic Three-State Receptors in Synaptic MC. GLOBECOM 2022 - 2022 IEEE Global Communications Conference, 4529-4534. IEEE.
  Lotter, Sebastian; Barros, Michael T.; Schober, Robert & Schafer, Maximilian
  
• “Physical Modeling using Recurrent Neural Networks with fast Convolutional Layers,” Proc. 25th International Conference on Digital Audio Effects (DAFx20in22), Vienna, Austria, 2022
  J. D. Parker, S. J. Schlecht, R. Rabenstein & M. Schäfer
  
• Analysis of MC Systems Employing Receivers Covered by Heterogeneous Receptors. IEEE Transactions on Molecular, Biological and Multi-Scale Communications, 9(1), 63-78.
  Huang, Xinyu; Fang, Yuting; Johnston, Stuart T.; Faria, Matthew; Yang, Nan & Schober, Robert
  
• Area Rate Efficiency in Multi-Link Molecular Communications. IEEE Transactions on Molecular, Biological and Multi-Scale Communications, 9(4), 391-407.
  Brand, Lukas; Lotter, Sebastian; Jamali, Vahid; Schober, Robert & Schäfer, Maximilian
  
• Chemical Reactions-Based Detection Mechanism for Molecular Communications. IEEE Transactions on Molecular, Biological and Multi-Scale Communications, 9(1), 49-62.
  Cao, Trang Ngoc; Jamali, Vahid; Wicke, Wayan; Zlatanov, Nikola; Yeoh, Phee Lep; Evans, Jamie & Schober, Robert
  
• Multidimensional Signals and Systems. Springer International Publishing.
  Rabenstein, Rudolf & Schäfer, Maximilian
  
• Olfaction-Inspired MCs: Molecule Mixture Shift Keying and Cross-Reactive Receptor Arrays. IEEE Transactions on Communications, 71(4), 1894-1911.
  Jamali, Vahid; Loos, Helene M.; Buettner, Andrea; Schober, Robert & Vincent, Poor H.
  
• Stochastic Chemical Reaction Networks for MAP Detection in Cellular Receivers. Proceedings of the 10th ACM International Conference on Nanoscale Computing and Communication, 65-71. ACM.
  Heinlein, Bastian; Brand, Lukas; Egan, Malcolm; Schäfer, Maximilian; Schober, Robert & Lotter, Sebastian