Artikel mit unserer Nase lesen: Eine biologisch inspirierte Lösung für die synthetische molekulare Kommunikation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Molekulare Kommunikation (MK) ist ein neues Paradigma in der Kommunikationstechnik, bei dem Moleküle als Informationsträger eingesetzt werden. Es wird erwartet, dass MK-Systeme zukünftig neue revolutionäre Anwendungen wie die intelligente Medikamentengabe in der Medizin und die Überwachung von Ölpipelines oder chemischen Reaktoren in der Industrie ermöglichen. Die Entwicklung synthetischer MK-Systeme ist jedoch mit Herausforderungen verbunden, die bei der Entwicklung konventioneller Kommunikationssysteme nicht üblich sind. Analog zur Verwendung mehrerer Frequenzen in konventionellen Kommunikationssystemen ist es beispielsweise auch in MK-Systemen vorteilhaft, eine große Anzahl verschiedener Arten von Signalmolekülen zu verwenden, um die Intersymbol-Interferenz zu verringern und die Datenrate zu erhöhen. Die Implementierung dieser Systeme basierend auf den aktuellen Entwürfen synthetischer MK-Systeme, die von einem dedizierten Rezeptor für jeden Molekültyp ausgehen, so genannten DREAM-Systemen, ist jedoch nicht praktikabel. Glücklicherweise hat die Natur eine evolutionäre Lösung für diese Herausforderung entwickelt, die z. B. in den Geruchssystemen von Säugetieren zu finden ist. So ist der Mensch in der Lage, mit nur wenigen hundert Rezeptortypen auf seiner inneren Nasenoberfläche viele tausend verschiedene chemische Substanzen zu unterscheiden. Das Hauptziel dieses Projekts bestand darin, die potenziellen Vorteile der Nutzung der Eigenschaften des natürlichen Geruchsinns für die Entwicklung synthetischer MK-Systeme zu untersuchen. Zu diesem Zweck untersuchten wir in diesem Projekt die Modellierung, den Entwurf und die Performanz von durch Geruchssinn inspirierten synthetischen MK-Systemen. Insbesondere verwenden die Sender in dem vorgeschlagenen MK-System Molekülmischungen als Informationsträger, die von einem Array kreuzreaktiver Rezeptoren an einem Empfänger erkannt werden. Wir entwickelten zunächst ein Ende-zu-Ende MK-Kanalmodell, das die wichtigsten Eigenschaften des Geruchsinns berücksichtigt. Anschließend entwarfen wir Verfahren zur Modulation und Detektion. Ausgehend von einer Reihe von Signalmolekültypen entwickelten wir Algorithmen, die günstige Molekülmischungen für die Kommunikation konstruieren. Darüber hinaus formulierten wir mit Hilfe der Theorie des compressive sensing verschiedene Rekonstruktionsprobleme, die die Kenntnis des Alphabets der informationstragenden Molekülmischungen und die Struktur des kreuzreaktiven Rezeptorarrays ausnutzen, um die übertragenen Molekülmischungen effizient zu identifizieren. Schließlich wurde die Performanz der vorgeschlagenen MK-Systementwürfe durch eine umfassende Reihe von computergestützten Simulationsexperimenten bewertet und mit der Performanz bestehender Benchmarks aus der Literatur verglichen. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die Projektergebnisse zum Verständnis von MK-Systemen auf Geruchsbasis aus kommunikationstechnischer Sicht beitragen. Darüber hinaus wurden im Rahmen des Projekts die potenziellen Vorteile der durch die Evolution im natürlichen Geruchssinn entwickelten Lösungen für die Verbesserung synthetischer MK-Systeme erforscht. Es wird erwartet, dass die erzielten Ergebnisse neue Impulse bei der Entwicklung synthetischer MK-Systeme setzen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Olfaction-inspired MCs: Molecule Mixture Shift Keying and Cross-Reactive Receptor Arrays,“ to IEEE Transactions on Communications, 2023
V. Jamali, H. M. Loos, A. Buettner, R. Schober, and H. V. Poor
