分子通信とは

分子通信とは、生体分子や生化学反応を利用したバイオナノマシンのための情報通信パラダイムです。分子通信で想定するバイオナノマ シンは,生体分子(たんぱく質やDNAなど)で構成される生体分子デバイスであり,例えば,人工細胞や遺伝子改変細胞などを指しています。バイオナノマシンは,電気や光による既存の通信技術を利用することが困難です。そのため,化学信号(分子)を利用して情報伝達(分子通信)を実現することを考えます。

下の図に示したように分子通信では、情報の送り手(送信機)と受け手(受信機)の間で生起する一連の生化学反応を通信と捉えます。まず、送信機が情報を分子に符号化して、環境中に送出します。次に、放出された分子が環境中を伝播します。最後に、受信機が分子と衝突して化学反応を起こします。すなわち、情報を復号します。更に、受信機が新しい送信機となることでマルチホップの分子通信が実現されます。

Molecular Communication

分子通信の特徴

電気や光による従来の通信と比較して、分子通信は、いくつかの興味深い特徴をもっています。


電気・光通信 分子通信
信号 電磁波、電気 分子
通信媒体 空間、ケーブル 溶液
通信速度 光の速度 超低速
通信範囲 長距離 超短距離
情報 文字、音声、画像 化学反応、状態
特徴 正確で確実な通信、高消費電力 不確実で確率的な通信、高い生体親和性
高エネルギー効率、超並列性

分子による情報表現:分子通信では、情報分子の様々な特性を用いて情報を表現します。例えば、使用する分子の数(濃度)やその時間変化(濃度変化)、構造(三次元構造や配列情報)、種類を用いて情報を表現します。情報伝達のキャリアとして用いる情報分子は様々な物理的性質をもち、高密度の情報を表現できる可能性があります。また、情報伝達のキャリアが種々の分子を認識、合成、破壊するなどの機能をもつ点も興味深い特徴と言えます。

生体親和性:分子通信は、細胞生物がもつ通信のメカニズムそのものであり、細胞生物と直接通信できるという利点があります。分子通信システムの生体親和性は高く、医療分野への応用が期待されています。例えば、バイオナノマシンで実現する分子通信システムを体内で稼働させ、臓器や組織と通信をしながら、健康の維持管理をするような応用が考えられます。

化学エネルギーで駆動:分子通信および分子通信システムは化学エネルギーで駆動します。生物システムのように非常に高いエネルギー効率を達成できる可能性があります。また、通信に必要となるエネルギーを環境から取得できる可能性もあります。例えば、人間の体内に導入された分子通信システムでは、体内にあるエネルギーを利用できるため、外部エネルギーを必要としない場合も考えられます。

不確実な通信:分子通信では、生体内のような溶液中を情報分子が伝搬することで通信を実現します。情報分子が熱揺らぎの影響を受けること、バイオナノマシンが情報分子に対して確率的に反応すること、更に、バイオナノマシンおよび情報分子が経時的に劣化することなどの理由から、分子通信は極めて不確実な通信手段しか提供できません。また、超低速で限られた範囲の通信手段しか提供できません。

このような特徴を利用して、あるいは、制約がある中で、どのようにしたら有用なシステムを設計できるでしょうか?この問いに答えることが分子通信研究の主な課題となっています。

研究内容

本研究室では、以下の研究課題に取り組んでいます。それぞれの詳細については、記載した発表論文をご覧ください。

[1] 全体設計について:分子通信アーキテクチャの設計やその標準化を目標にしています。

  • T. Nakano et al., Molecular communication among biological nanomachines: A layered architecture and research issues, IEEE Trans. Nanobiosci. (2014). [Abstract]

[2] 通信方式について:様々な分子通信方式や情報伝達方式の設計、モデル化、計算機実験による性能評価を行っています。

  • T. Furubayashi et al., Packet fragmentation and reassembly in molecular communication, IEEE Trans. Nanobiosci. (2016). [Abstract]
  • T. Nakano et al., Channel model and capacity analysis of molecular communication with brownian motion, IEEE Commun. Lett. (2012). [Abstract]

[3] モバイル分子通信について:自律移動型バイオナノマシンで構成する生体内分子通信ネットワークの医療応用を検討しています。

  • T. Nakano et al., Performance evaluation of leader-follower-based mobile molecular communication networks for target detection applications, IEEE Trans. Commun. (2016). [Abstract]
  • Y. Okaie et al., Cooperative target tracking by a mobile bionanosensor network, IEEE Trans. Nanobiosci. (2014). [Abstract]

[4] 外部インタフェースについて:バイオナノマシンと外部機器を繋げるインタフェースやその応用を検討しています。

  • T. Nakano et al., Externally controllable molecular communication, IEEE J. Sel. Areas Commun. (2014). [Abstract]
  • Y. Chen et al., Green touchable nanorobotic sensor networks, IEEE Commun. Mag. (2016). [Abstract]

[5] テストベッドの開発:人工細胞の系を利用した実験用プラットフォームの開発を進めています。

  • T. Furubayashi et al., Design and wet-laboratory implementation of reliable end-to-end molecular communication, Wireless Netw. (2017). [Abstract]
これら以外の研究課題にも取り組んでいます。発表論文をご覧ください。