[发明专利]分子通信系统及方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及分子通信(molecular communication)，并且更具体地，涉及使用分子胶囊在以脂双层膜构造的分子发射器和分子接收器之间传输信息的分子通信系统和方法。

背景技术

近年以来并且仍在持续，已经对使用纳米级化学物质(分子)作为信息载体的分子通信系统进行了调查与研究。在分子通信系统的情况下，基于接收到了信息编码的分子而导致的生化反应来建立通信。例如，参见S.Hiyama等人的“Molecular Communication(分子通信)”Proceedingson NSTI Nanotechnology conference and Trade Show 2005，vol.3 pp.391-394，May，2005(NSTI纳米技术会议和博览会会刊2005，第3卷，391-394页，2005年5月)以及S.Hiyama等人的IEICE magazine(第89卷，第2期，162-166页，2006年2月)。

与使用电磁波(电信号或光信号)作为信息载体的现有通信技术不同，分子通信使用生化信号，以低能耗产生慢速通信。对于由于容量原因或环境原因不能使用电磁波的纳米级设备之间的通信应用以及对不是由电子组件组成并且不能被电子信号驱动的纳米机器(nanomachine)的控制来说，分子通信具有很高的潜能。

分子通信系统一般包括分子发射器、分子接收器以及连接所述分子发射器和分子接收器的分子传播环境。从分子发射器传输的信息编码分子(可以被简单地称为“信息分子”)通过传播环境(或传输信道)传播到分子接收器。分子接收器捕获所传播的信息分子，解码所述信息，并且进行所述信息分子生化作用表现。为了保护信息分子免受传播环境中分解酶的损害或者免受温度、酸或碱(以PH值代表)或者光的影响，还提议将信息分子封装在分子胶囊中。例如参见Y.Moritani等人的“Molecular Communication among Nanomachines Using Vesicles(纳米机器之间使用疱囊的分子通信)”，Proceedings on NSTI Nanotechnologyconference and Trade Show 2006，vol.2 pp.7051-708，May，2006(NSTI纳米技术会议和博览会会刊2006，第2卷，705-708页，2006年5月)。

一种用于分子通信系统的分子发射器和/或接收器的候选者是活细胞，因为活细胞具有分子发射器/接收器的基本功能。然而，活细胞的结构和行为是复杂的，并且人工设计和控制活细胞的功能性非常困难。

发明内容

考虑到上述技术背景，本发明的实施方式旨在提供用于人工设计在分子通信系统中使用的组件的技术。本发明的实施方式还提供了用于人工控制信息分子的发射和接收以及在分子接收器处发生的生化反应的技术。简言之，本实施方式的目标是提供可很好地控制的人造分子通信系统及方法。

为了实现该目的，人造细胞膜被用来形成分子发射器、分子接收器以及分子胶囊，在所述人造细胞膜中，至少一种分子开关响应于外部输入信号。例如，所述人造细胞膜是脂类双分子膜(lipid bilayer membrane)。例如，所述外部输入信号是光、温度、化学物质或溶剂特性(PH水平)。通过控制所述外部输入信号的应用来控制所述分子胶囊和所述分子发射器的关联与分开，以及所述分子胶囊和所述分子接收器的关联与分开。

具有连接人造受体和用作效应物的酶的功能结构的人造信令级联可以被提供给所述分子接收器，以依据所述信息分子的接收控制所述酶的活性的切换。这样的安排可以人工控制在所述分子接收器处发生的生化反应。

在本发明的实施方式中，所提供的分子通信系统包括：分子发射器，所述分子发射器发射信息分子，在所述信息分子中编码指定的信息；分子接收器，所述分子接收器接收所述信息分子；以及分子胶囊，所述分子胶囊将信息分子从所述分子发射器运送到所述分子接收器。所述分子发射器、所述分子接收器以及所述分子胶囊由脂类双分子膜形成，在所述脂类双分子膜中提供了至少一种响应于外部输入信号的分子开关。

利用该系统，通过应用所述外部输入信号，所述分子胶囊和所述分子发射器的关联与分开以及所述分子胶囊和所述分子接收器的关联与分开被控制，从而控制所述信息分子的发射和接收。