[論文レビュー] Internet of NanoThings: Concepts and Applications

Ebtesam Almazrouei, Raed M. Shubair+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2018

Molecular Communication and Nanonetworks参考文献 56被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、ナノスケールデバイスを相互接続ネットワークに統合するパラダイムとして、ナノインフラストラクチャ（IoNT）を提唱し、生物学的・電磁的・音響的通信を活用して医療、産業、防衛、環境監視の分野に応用する。本論文はナノネットワークアーキテクチャの包括的フレームワークを提示し、通信の主な課題を特定し、健康モニタリング、薬物送達、スマート材料制御における変革的潜在能力を示している。

ABSTRACT

This chapter focuses on Internet of Things from the nanoscale point of view. The chapter starts with section 1 which provides an introduction of nanothings and nanotechnologies. The nanoscale communication paradigms and the different approaches are discussed for nanodevices development. Nanodevice characteristics are discussed and the architecture of wireless nanodevices are outlined. Section 2 describes Internet of NanoThing(IoNT), its network architecture, and the challenges of nanoscale communication which is essential for enabling IoNT. Section 3 gives some practical applications of IoNT. The internet of Bio-NanoThing (IoBNT) and relevant biomedical applications are discussed. Other Applications such as military, industrial, and environmental applications are also outlined.

研究の動機と目的

• ナノスケールにおけるインターネット・オブ・シングス（IoT）の延長として、ナノインフラストラクチャ（IoNT）の基盤的フレームワークを確立すること。
• ナノスケール通信における主な課題、特にエネルギー制限、サイズ制限、信号伝搬特性を分析・解決すること。
• 医療、産業、軍事、環境分野におけるIoNTの実用的応用を調査・分類すること。
• 分子通信を、内部および外部のナノデバイス間通信に向けた有望な生物学的インスピレーションに基づく解決策として強調すること。
• 標的薬物送達や環境センシングなどの実世界のシナリオにおいて、ナノネットワークの実現可能性と変革的潜在能力を示すこと。

提案手法

• 分子通信、電磁波通信、音響通信という3つの主要なナノスケール通信パラダイムを提案し、それぞれのメカニズムとトレードオフを明確にした。
• ナノデバイスとミクロスケール・マクロスケールシステムを統合する階層的ネットワークアーキテクチャを導入し、エンドツーエンド接続性を実現した。
• サイズ、エネルギー制限、生体適合性といったナノデバイスの特性を分析し、ナノネットワーク設計の原則を定義した。
• ミニチューリゼーションと電力制限の影響を考慮し、マイクロデバイス間リンクにおける電磁波通信の限界を評価した。
• 生物学的に妥当な方法として、情報がナノトランスceiverが放出・検出する分子にエンコードされる分子通信に焦点を当てた。
• ゲートウェイを介したナノセンサーやナノアクチュエータと外部システムの統合を提示し、IoNTエコシステムにおけるデータ収集と制御を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノスケールデバイスを効果的に相互接続し、機能的なナノネットワークを構築する方法は何か？
• RQ2 ナノスケール環境に適した基本的な通信パラダイムは何か？ それらの技術的・物理的制限は何か？
• RQ3 ナノデバイスとマクロスケールネットワーク間の相互運用性をサポートするIoNTのアーキテクチャはどのように設計できるか？
• RQ4 IoNTがもたらす主な医療、産業、環境分野の応用は何か？
• RQ5 分子通信をどのように活用することで、双方向的かつ低消費電力なナノネットワーク通信を実現できるか？

主な発見

• 分子通信は、分子の放出と検出を介して情報伝達を可能にするため、内部ナノデバイス間通信に非常に現実的かつ生物学的インスピレーションに基づいた解決策である。
• 電磁波通信は、サイズ制限と低出力のため、ナノスケールでは顕著な課題を抱え、主にマイクロからナノデバイスへのワンウェイ通信に限られる。
• 音響およびナノメカニカル通信は正確なアライメントと物理的接触を要するため、大規模かつ動的変化の激しいナノネットワークには不適切である。
• バイオ・ナノインフラストラクチャ（IoBNT）により、リアルタイムの健康モニタリング、標的薬物送達、細胞レベルでの遺伝子工学の分野で画期的な医療応用が可能になる。
• 環境監視分野におけるIoNTの応用には、生分解制御、大気・水質管理、ナノスケールセンサーやアクチュエータを用いた動物行動の制御が含まれる。
• 軍事分野におけるIoNTの応用には、NBC（核・生物・化学）脅威検知、スマートカモフラージュ、ナノ機能化された制服を用いた兵士の即時の怪我モニタリングが含まれる。