[論文レビュー] Chemical Reactions-Based Microfluidic Transmitter and Receiver for Molecular Communication

Dadi Bi, Yansha Deng+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2019

Molecular Communication and Nanonetworks参考文献 35被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、制御された生化学反応を用いてパルス形状の分子信号を生成・検出する、化学反応に基づくマイクロ流体トランスミッタおよびリセプタを提案する。このシステムは、生物学的システムの制限を克服し、信頼性が高く、高速かつスケーラブルな分子信号の変調および復調を実現する。理論的モデリングおよびCOMSOLシミュレーションにより、性能と設計感度が検証されている。

ABSTRACT

The design of communication systems capable of processing and exchanging information through molecules and chemical processes is a rapidly growing interdisciplinary field, which holds the promise to revolutionize how we realize computing and communication devices. While molecular communication (MC) theory has had major developments in recent years, more practical aspects in designing components capable of MC functionalities remain less explored. Motivated by this, we design a microfluidic MC system with a microfluidic MC transmitter and a microfluidic MC receiver based on chemical reactions. Considering existing MC literature on information transmission via molecular pulse modulation, the proposed microfluidic MC transmitter is capable of generating continuously predefined pulse-shaped molecular concentrations upon rectangular triggering signals using chemical reactions inspired by how cells generate pulse-shaped molecular signals in biology. We further design a microfluidic MC receiver capable of demodulating a received signal to a rectangular output signal using a thresholding reaction and an amplifying reaction. Our chemical reactions-based microfluidic molecular communication system is reproducible and well-designed, and more importantly, it overcomes the slow-speed, unreliability, and non-scalability of biological processes in cells. To reveal design insights, we also derive the theoretical signal responses for our designed microfluidic transmitter and receiver, which further facilitate the transmitter design optimization. Our theoretical results are validated via simulations performed through the COMSOL Multiphysics finite element solver. We demonstrate the predefined nature of the generated pulse and the demodulated rectangular signal together with their dependence on design parameters.

研究の動機と目的

• 実用的で非生物学的であり、かつ高速で信頼性が高くスケーラブルな分子通信部品の不足に応えること。
• 細胞内シグナル伝達にインspiredされた化学反応を用いて、所定のパルス形状の分子濃度を生成可能なマイクロ流体トランスミッタの設計。
• しきい値反応と増幅反応を用いて、分子信号を長方形出力信号に復調可能なマイクロ流体リセプタの開発。
• 分子通信システムにおける生物学的回路の遅さ、信頼性の低さ、スケーラビリティの欠如を克服すること。
• マイクロ流体MCシステムにおけるトランスミッタおよびリセプタの性能最適化のための理論的モデルとシミュレーションによる検証。

提案手法

• マイクロ流体トランスミッタは反応メカニズムを用い、2種の物質AとBが反応してABを生成する。過剰なBを用いることでAの完全消費が保証され、パルス形状の出力が得られる。
• 反応プロセスは反応式でモデル化され、輸送は対流拡散方程式で記述される。反応の完了はチャネル内への流入と同時に即時であると仮定される。
• 2つの近似手法が用いられる。1つ目は拡散を無視し、対流のみをモデル化する。2つ目は対流拡散方程式を用いて拡散を含み、ラプラス変換を用いて解析的取り扱いを行う。
• 2番目の手法では、初期濃度プロファイルのラプラス変換を用い、逆ラプラス変換を数値的に計算するためのギル＝ペラス定理を適用する。
• リセプタは信号の有無を検出するしきい値反応と、クリアな長方形出力を生成する増幅反応を用いる。これはデジタル信号回復を模倣する。
• 理論的信号応答は反応式および対流拡散方程式を用いて導出され、COMSOL Multiphysicsを用いたシミュレーションにより、設計および応答特性の検証が行われる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 化学反応に基づくマイクロ流体トランスミッタは、長方形のトリガ信号に対して所定のパルス形状の分子濃度を生成できるか？
• RQ2 対流および拡散は、マイクロ流体チャネル内での分子パルスの伝播および形状にどのように影響するか？
• RQ3 しきい値反応と増幅反応を用いたマイクロ流体リセプタは、分子信号を信頼性高く長方形出力信号に復調できるか？
• RQ4 流速、拡散係数、反応物濃度といった設計パラメータが、信号応答およびシステム性能に及ぼす影響の程度はどの程度か？
• RQ5 理論的モデルは実際の信号行動をどの程度正確に予測できるか。また、システム最適化を導く手がかりとして有効か？

主な発見

• マイクロ流体トランスミッタは、所定の長方形トリガ信号に対応するパルス形状の分子濃度出力を成功裏に生成し、反応制御により形状が保持されている。
• 反応および対流拡散方程式に基づく理論的モデルは、信号伝播を正確に予測しており、2番目の近似手法では拡散効果を含めることでより現実的になった。
• COMSOL Multiphysicsを用いたシミュレーションにより、生成されたパルスの所定の性質および復調された長方形信号のクリアさが確認され、さまざまなパラメータで設計の妥当性が検証された。
• 生物学的回路に依存しないため、細胞の使用が不要であり、速度と信頼性が向上し、スケーラビリティと実用性が向上している。
• 理論的およびシミュレーション結果から、流出濃度応答が流速および拡散係数に敏感であることが示され、設計最適化が可能である。
• ギル＝ペラス定理を用いた逆ラプラス変換により、閉形式解が得られない複雑な信号応答の数値計算が可能となり、解析的予測が現実可能になった。