一种以制造技术

本发明专利技术公开了一种以

【技术实现步骤摘要】
一种以DNA为信息载体的生物纳米物联网系统


[0001]本专利技术涉及生物纳米传感
、
分子通信
、
纳米物联网
，特别涉及一种面向体内活体信息的以
DNA
为信息载体的生物纳米物联网系统
。

技术介绍

[0002]生物纳米物联网
(The Internet of Bio
‑
Nano Things
，
IoBNT)
是一种新兴的领域，将合成生物学
、
聚合酶链反应
(Polymerase Chain Reaction
，
PCR)
技术
、DNA
测序与纳米机器人制备等生物纳米技术与信息通信技术相结合，制备基于生物分子与细胞和纳米机器人作为异构网络的节点，作为信息感知
、
信息收发
、
计算等代理功能，利用计算机和通信技术与方法，实现对活体生物环境
、
肿瘤微环境传感与感知，纳米机器人的通信与组网，并通过海量的纳米机器人形成群体智能，赋能计算与智能，用以解决医学中精准化诊疗
、
药物开发
、
纳米医学等诸多应用的挑战
。
因此，
IoBNT
可以广泛应用于生命科学
、
健康管理
、
环境监测
、
医疗治疗
、
食品安全等领域
。
[0003]生物纳米传感<br/>[0004]生物纳米传感是一种利用生物纳米传感器对活体生物环境
、
肿瘤微环境的传感与感知的新兴技术
。
生物纳米传感器它承担着对整个
IoBNT
系统中信息感知的任务，是一种利用纳米技术和生物学原理相结合的传感器技术
。
它通过设计和制造纳米尺度的传感器，利用生物分子
、
细胞或生物体的特性来检测和监测生物体内或周围的生理或化学参数
。
生物纳米传感器可以针对特定的生物分子或化学物质进行高度敏感的检测，例如蛋白质
、DNA、
病原体或药物等
。
这些传感器通常由纳米材料
(
如纳米颗粒
、
纳米线或纳米薄膜
)
构成，这些材料可以与目标分子发生特异性的相互作用，并将其转化为可被
IoBNT
中网络节点或者纳米机器人所利用的信号
。
[0005]基于
DNA
分子通信的
IoBNT
通信机制
[0006]DNA
分子通信是实现
IoBNT
中节点之间
、
局域网之间通信的一种优秀的通信机制
。
分子通信是一种新型的微观纳米尺度的通信方式，不同于传统的电磁通信方式，分子通信利用蛋白质分子
、RAN
分子
、DNA
分子等作为信息载体，以生物介质环境为通信信道，以自然的生理代谢规律来调制
、
编码信息
。
[0007]在分子通信机制中对于信息载体的选择十分重要，由于
DNA
分子自身具有持久性
、
稳定性
、
大规模并行性
、
生物兼容性和超高信息密度的特点
(4.5
×
107GB/g
，对比现今固态硬盘
0.01GB/g
高达
109
量级
)
，从众多备选信息载体中脱颖而出
。
现今，生物技术的快速发展使我们能够以更具成本效益的方式大规模地操纵
DNA
，在商业上已然达到大规模制备
DNA
的水平
。
鉴于目前数据生产的趋势和
DNA
操作技术的快速发展，使得基于
DNA
的
IoBNT
系统成为现实的时机已经成熟
。
[0008]分子通信中有多种传输机制
。
过往的
IoBNT
技术中，多采用基于扩散和基于分子马达的传输机制
。
对于基于扩散的传输机制，由于扩散的非控制性，信息分子在流体中的运动是不可控的，这就会造成信息的滞后性，使得信息不能及时高效的进行传递，除此之外，信
息段之间的符号间干扰和链路间干扰会使信息出现错误，造成原始信息的错误传递，增加
IoBNT
系统的丢包率
。
而对于以分子马达为载体的传输机制也存在诸多问题
。
例如，分子马达面临着脱轨现象并且大多数分子马达在微管上的只能进行单向运动，这可能会影响
IoBNT
在信息传递方面的性能
。
此外，分子马达的运动还需要外部化学能量的加持
。
因此，这些原因导致了分子马达也不能成为一个理想的运输载体
。
针对上述两种信息传输机制的缺点，基于分子料斗的信息传输机制被提出
。
分子料斗可以实现定向运动，这有利于
IoBNT
中的定向通信
。
并且，分子料斗可设置运动步长，这对于
IoBNT
中不同大小的数据包的传输是非常有利的
。
此外，分子料斗的运动不需要外部能量的释放，它通过化学键的形成与断开来实现运动，并且还可以通过外部施加电场，磁场来对分子料斗的运动方向进行控制，这可以提高通信中信息的可控性
。
以上分子料斗的优点可以大大增强
IoBNT
中分子通信的精确性，降低网络系统的丢包率，提高通信效率
。
[0009]纳米物联网组网
[0010]IoBNT
中的纳米机器人和网络节点间根据特定需求和目标，设计和构建计算机网络的过程称之为组网
。
组网是实现活体生物环境实时监测和反馈，大规模传感器网络的高密度连接，群体智能等复杂功能的重要基础
。
而网络拓扑形状和路由算法则是决定能否实现纳米物联网组网的两个重要因素
。
[0011]树状拓扑结构是先前
IoBNT
常用的拓扑结构，其类似于树形，是由多个节点组成的层次拓扑结构
。
树状拓扑结构的优点在于具有分支
、
扩展和聚合的特性，这种特性使其更适用于分级管理和数据传输
。
但是，由于树状网络中节点之间的连接关系比较固定，子节点之间的通信必须经过父节点，这也使得树状拓扑结构容易受到单点故障问题的影响，进而可能使得整个网络崩溃
。
并且树状拓扑结构的层次性使得节点之间的连接关系比较固定，难以根据需要进行灵活的扩展和调整
。
然而，网格状拓扑结构则可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种以
DNA
为信息载体的生物纳米物联网系统，包括：生物纳米传感模块：负责感知和采集体内活体信息，包括：生理指标
、
病理标记物和药物浓度；该模块利用生物纳米传感器对目标分子进行特异性识别和高灵敏度检测，实现对体内信息的实时监测和采集；
DNA
信息存储模块：负责将采集到的体内信息转化为
DNA
序列，并在
DNA
上进行编码和存储；该模块利用
DNA
的高信息密度和长期稳定性，将采集到的信息通过
DNA
序列进行存储；
DNA
分子通信模块：负责将存储在
DNA
信息存储模块上的信息进行传输和通信；该模块利用
DNA
分子作为信息的载体，通过
DNA
分子序列的编码和解码技术实现信息的传输和解读，实现体内活体信息的远程传输和共享；纳米物联网组网模块：负责将多个节点连接起来，形成一个纳米物联网系统；该模块通过
DNA
分子通信技术和纳米器件实现节点之间的连接和通信，构建纳米级的网络结构，以支持大规模的体内信息传输和共享；数据处理和智能计算模块：负责对采集到的信息进行处理
、
分析和智能计算；该模块利用
DNA
计算单元和纳米机器人等技术，实现对体内信息的数据处理
、
模式识别和决策，为医学诊断
、
治疗方案设计等提供支持和指导
。2.
根据权利要求1所述的一种以
DNA
为信息载体的生物纳米物联网系统，其特征在于：所述
DNA
分子通信模块采用
IoBNT
通信机制，包括以下内容：利用分子料斗实现精确的分子通信，通过化学键的形成与断开来实现运动，并且通过施加外部电场或磁场，控制分子料斗的运动方向，从而提高通信中信息的可控性
。3.
根据权利要求1所述的一种以
DNA
为信息载体的生物纳米物联网系统，其特征在于：所述纳米物联网组网模块，采用网格状拓扑形状，由
K+1
行
、N
列，共
M
个节点组成，节点之间通过链路进行连接；网络中的每个节点都能够作为发射机和接收机，并且网络中的各节点间直接连接，通过多条路由进行连接通信
。4.
根据权利要求1所述的一种以
DNA
为信息载体的生物纳米物联网系统，其特征在于：纳米物联网组网模块还包括网络路由和网络编码；所述网络路由通过
IoBNT
路由算法在明确发射节点与接收节点的具体位置后，根据网络中各节点及链路状态，选择最佳的信息传递路径；所述网络编码通过对数据流进行重新编码...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙玥，程万里，王晴文，杜冬，张露瑶，
申请(专利权)人：成都群智微纳科技有限公司，
类型：发明
国别省市：