Molecular communication (MC) is an interdisciplinary technology for promising realization of biological nano-networks in recent years. Calcium signaling is an important biological signaling for promising implementation of MC. So far, most literatures mainly focus on the physiological accommodations and physical oscillation properties of calcium signaling. Recently, a few literatures start to study the calcium signaling from the perspective of molecular communication by integrating the information science theories. However, the molecular communication models of calcium signaling are not perfect, and the communication performance is low, that is not adequate to support the functionality of biological nano-networks required by nano-medicine applications. In allusion to above challenges, this project integrates the theoretical analysis, computer simulation and biological experiments, carrying out the research based on the clue of sender-channel-receiver links. For sender terminal, study feasible external driven-based methods of calcium signaling; for communication channel, study biomimetic transmission mechanisms of calcium signaling in dynamic cellular networks; for receiver terminal, study reliable technologies of calcium signaling perception and information analysis. In research, this project plans to solve following two key problems: 1) the mathematical system modeling of calcium signaling in MC; 2) the performance analysis and optimization of calcium signaling in MC. This project aims to provide improved theoretical models and analytical tools for the research of calcium signaling in MC. This project is promising to benefit the development of nano-medicine.
分子通信是近年来提出的一种有望实现生物纳米网络的交叉技术。钙信号是一种重要的生物信号,是有望实现分子通信的方式之一。当前,大多数文献主要关注钙信号对生理活动的调节机理和物理振荡特性。最近,少数文献结合信息科学理论,开始从分子通信角度研究钙信号。然而,钙信号分子通信模型不完善,通信性能低,难以满足纳米医疗应用对生物纳米网络的功能性要求。针对以上挑战,本项目结合理论分析、计算机仿真和生物实验,以发送端-信道-接收端链路为线索开展研究。对发送端,研究可行的钙信号体外驱动方法;对通信信道,研究动态细胞网络中钙信号仿生传输机制;对接收端,研究可靠的钙信号感知与信息解析方法。在研究中,项目拟解决以下两个关键问题:1)钙信号分子通信系统数学建模;2)钙信号分子通信性能分析和优化。本项目旨在为钙信号分子通信研究提供改进的理论模型和分析手段,并有望为纳米医疗领域的发展做出贡献。
本项目研究了基于体外驱动的钙信号分子通信建模方法,在发送端的体外驱动方法,信道的仿生传输机制,接收端的信息解析方法等三个方面深入探索,取得了以下研究成果:1)采用弱电磁场实现钙信号的驱动控制,基于细胞膜电子的动力学机理,建立电磁场与生物钙的转化模型,设计深度强化学习方法优化体外电磁设备的驱动功率,仿真验证钙信号分子通信体外驱动方法。2)受传染病模型和边缘网络缓存技术的启发,建立了类传染病的钙信号传输模型,参考边缘缓存特点优化了钙存储的分子通信传输模型。3)参照网络流媒体在移动通信网络的思路,建模钙信号随时间和细胞网络空间的衰减特性,设计了类流媒体的钙信号分子通信信息解析方法。项目组共发表期刊论文11篇,其中IEEE Internet of Things Journal、EEE Transactions on Vehicular Technology、IEEE Transactions on NanoBioscience等SCI期刊9篇,《系统工程与电子技术》、《西安电子科技大学学报》等EI期刊2篇,共发表Globecom、WCNC等EI检索国际学术会议论文9篇,获得授权专利1项,获得最佳论文奖励1项。圆满完成了项目任务指标。
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数据更新时间:2023-05-31
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