JP4234767B2 - 分子通信システム - Google Patents
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Description
R. Yokokawa, et al., "Hybrid Nanotransport System by Biomolecular Linear Motors," Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 13, No. 4, pp.612-619, Aug. 2004 Y. Hiratsuka, et al., "Controlling the Direction of Kinesin-driven Microtubule Movements along Microlithographic Tracks," Biophysical Journal, Vol. 81, No. 3, pp.1555-1561, Sep. 2001
所定の情報が符号化された情報分子を送出する分子送信機と、
前記情報分子を受信する分子受信機と、
前記分子送信機と分子受信機との間を接続する分子伝搬経路と
を含み、
分子伝搬経路は、高分子材料で形成される伝送パスと、当該伝送パスに沿って所定の方向に巡回するキャリア分子とを含み、前記キャリア分子は、分子送信機から送出された情報分子を搭載して、分子受信機まで輸送する。
所定の情報が符号化された情報分子を送出する分子送信機と、
前記情報分子を受信する分子受信機と、
前記分子送信機と分子受信機との間を接続する分子伝搬経路と
を含み、
前記分子送信機は、
所定の分子に所定の情報を符号化して情報分子を生成する分子符号化部と、
前記情報分子の宛先である前記分子受信機を識別する標識分子を生成する標識分子生成部と、
前記情報分子および標識分子を前記分子伝搬経路に送出する分子放出部と
を有する。
標識分子生成部、および標識分子を放出する第1の分子放出部を有する第1の分子送信装置と、
分子符号化部、および情報分子を放出する第2の分子放出部を有する第2の分子送信装置と
を含み、第2の分子送信装置は、第1の分子送信装置からの標識分子の放出を検出する標識分子検出部をさらに有し、第2の分子放出部は、標識分子の検出に基づいて、情報分子を放出する。
標識分子生成部、および標識分子を放出する第1の分子放出部を有する第1の分子送信装置と、
分子符号化部、および情報分子を放出する第2の分子放出部を有する第2の分子送信装置と
を含み、第2の分子送信装置は、情報分子を放出する際に、第1の分子送信装置に対して標識分子の放出を指示する標識分子放出指示部をさらに有し、第1の分子放出部は、前記指示に基づいて前記標識分子を放出する。
10、50 分子伝搬経路
11 基板
15、55 情報分子
16 モータ分子
17 レール分子
18 LDH
19 キャリア分子
20、60 分子送信機
21 分子供給部
22 分子生成部
23 分子供給ポート
24 分子貯蔵部
25、65 分子情報符号化部
26 符号化情報保護部
27、67 分子放出部
30、70 分子受信機
31 分子受信部
32 保護機構解除部
33、72 分子情報復号化部
34 分子処理部
35 貯蔵部
36 分解部
37 排出部
56 標識分子
61 標識分子生成部
62 情報分子生成部
64 標識分子格納部
66 情報分子格納部
68 標識分子検出部
69 標識分子放出指示部
71 標識分子受信部
(情報符号化・復号化について)
上記の実施例では、情報分子15としてDNAを用いたため、DNAの塩基配列や構造に情報をマップする例を示した。しかし、情報分子として使用する分子の種類に応じて、様々な情報符号化方法が考えられる。
(情報分子とキャリア分子との結合・分離について)
上述した実施例では、情報分子15としてDNAを用いた例であったため、DNAのハイブリダイゼーションを利用したが、情報分子として使用する分子の種類に応じて、様々な方法が考えられる。
(宛先情報の付与)
上記の実施例では、単一の分子受信機30が用いられる場合を例にとって説明したが、複数の分子受信機30が存在し、各々が異なる受容体を有する分子通信システムにも第1実施形態を適用することができる。
(アプリケーション例)
(1)大容量の情報伝送
情報分子としてDNAを使用した場合は特に、1つの情報分子で大容量の情報を伝送することができる。
(2)燃料輸送
情報分子として水素を伝送すれば、燃料電池へのエネルギー供給となる。情報分子としてプロトン(水素イオン)を伝送すれば、回転分子モータへのエネルギー供給となる。
(3)擬似物質転送
情報分子として酵素やDNAといった最小限の物質を伝送することで、受信側に自己組織化などの生化学反応を生起させ、送信側と同一の物質を受信側にも形成することができる。
(4)μ−TAS(Micro Total Analysis System)/Lab-on-a-Chip(ラボオンチップ)
チップにポンプ、バルブ、センサ、リアクタなど様々なコンポーネントを微小化・集積化させたシステムのことを指し、チップ上での生化学分析や合成が行える。ここでは、情報分子として各種の試料や試薬を各コンポーネントに伝送する。
(5)分子コンピュータ
分子で構成されるトランジスタや論理ゲート、メモリーなどのコンピューティングデバイス素子間の入出力や制御信号として、酵素などの情報分子を伝送する。
(6)ナノマシン間通信、動作制御
能力的・環境的に電磁波を使用することができないナノスケールデバイス間における通信や、電子機器で構成・駆動されないナノマシンの動作制御などを行う。
また、第1実施形態に示したように、分子放出の際に膜小胞に分子を閉じ込めて分子を保護する機構を用いることもでき、この場合は第1実施形態の場合と同様に、膜小胞内に閉じ込められた分子の濃度や異なる分子の膜小胞内の構成比率等に情報を符号化することも可能である。この場合、膜小胞によって情報分子が保護されているため、情報誤りが発生する確率も低くなるという効果もある。なお、復号化についても第1実施形態と同様に、分子受信機に生起される作用の強さを観測、測定することで実現される。また、"0"、"1"のようなデジタル信号を情報とするのではなく、分子受信機に生起される作用とその強さを情報とすることもできる。この場合、分子送信機において伝達する作用を生起する分子を生成し、所望の強さになる濃度や比率で膜小胞内に閉じ込めることが符号化に相当し、分子受信機において所望の強さで所望の作用が生起されることが復号化に相当する。なお、所望の濃度や比率で膜小胞内に分子を閉じ込める手法としては、膜小胞が形成される際に膜小胞内部の情報分子の濃度や比率が環境中の情報分子の濃度や比率と同一になる性質を利用し、分子生成量を制御して分子送信機内の情報分子の濃度や比率を所望の濃度や比率にしてから膜小胞を形成することが考えられる。
Claims (26)
- 所定の情報が符号化された情報分子を送出する分子送信機と、
前記情報分子を受信する分子受信機と、
前記分子送信機と分子受信機との間を接続する分子伝搬経路と
を含み、
前記分子伝搬経路は、高分子材料で形成される伝送パスと、当該伝送パスに沿って所定の方向に巡回するキャリア分子とを含み、前記分子送信機から送出された情報分子は、前記キャリア分子に搭載されて前記分子受信機まで輸送されることを特徴とする分子通信システム。 - 前記伝送パスはレール分子で形成され、前記キャリア分子はモータ分子であり、前記情報分子は、前記モータ分子に搭載されて前記分子受信機まで輸送されることを特徴とする請求項1に記載の分子通信システム。
- 前記伝送パスはモータ分子で形成され、前記キャリア分子はレール分子であり、前記情報分子は、前記レール分子に搭載されて前記分子受信機まで輸送されることを特徴とする請求項1に記載の分子通信システム。
- 前記分子受信機は、前記キャリア分子に搭載された情報分子を受け取り、前記キャリア分子から情報分子を分離する分子受信部と、
前記分離した情報分子を復号化する復号化部と
を有することを特徴とする請求項1に記載の分子通信システム。 - 前記伝送パスは、アデノシン三リン酸(ATP)を注入した溶液中に設置され、前記キャリア分子の移動速度は、ATP濃度、マグネシウムイオン濃度、溶液温度、粘性抵抗の少なくともひとつを変更することによって調整可能であることを特徴とする請求項1に記載の分子通信システム。
- 前記分子送信機から放出される情報分子は、その種類、濃度、構成比率、またはこれらの任意の組み合わせに情報が符号化されており、
前記分子受信機において生起される作用の種類または強弱によって、情報が復号化されることを特徴とする請求項1に記載の分子通信システム。 - 前記情報分子は、当該情報分子を閉じ込めることが可能な物質でカプセル化されており、前記情報分子は前記分子伝搬経路中の分子を変性させ得る環境因子から保護され、前記情報分子の性質は前記キャリア分子に対して隠蔽されていることを特徴とする請求項1に記載の分子通信システム。
- 前記情報分子は、一本鎖DNAの塩基配列から成る結合部を有し、
前記キャリア分子は、前記情報分子の結合部と相補性を有する一本鎖DNAの塩基配列を有し、前記情報分子の結合部と2本鎖を形成することによって、前記情報分子を搭載することを特徴とする請求項1に記載の分子通信システム。 - 分子送信機と分子受信機との間に、高分子材料で構成される伝送パスを形成し、
前記伝送パスに沿ってキャリア分子を所定の方向に巡回させ、
前記分子送信機において、分子に所定の情報を符号化して情報分子を生成し、
前記情報分子を前記伝送パスに送出して、前記巡回するキャリア分子に搭載し、
前記情報分子を、前記伝送パスに沿って分子受信機まで伝送する
工程を含むことを特徴とする分子通信方法。 - 前記伝送パスをレール分子で形成し、
前記キャリア分子としてモータ分子を巡回させ、
前記情報分子を前記モータ分子に搭載して前記受信機まで輸送することを特徴とする請求項9に記載の分子通信方法。 - 前記伝送パスをモータ分子で形成し、
前記キャリア分子としてレール分子を巡回させ、
前記情報分子を前記レール分子に搭載して前記分子受信機まで輸送することを特徴とする請求項9に記載の分子通信方法。 - 前記分子受信機において、前記キャリア分子に搭載された情報分子を受信し、
前記キャリア分子から前記情報分子を分離し、
前記分離した情報分子を復号化する
工程をさらに含むことを特徴とする請求項9に記載の分子通信方法。 - 前記伝送パスを、アデノシン三リン酸(ATP)を注入した溶液中に設置し、
前記ATPの濃度、マグネシウムイオン濃度、溶液温度、粘性抵抗の少なくともひとつを変更することによって、前記キャリア分子の移動速度を調整する
工程をさらに含むことを特徴とする請求項9に記載の分子通信方法。 - 前記情報分子を生成する工程は、前記情報分子の種類、濃度、構成比率、またはこれらの任意の組み合わせに情報を符号化することを特徴とする請求項9に記載の分子通信方法。
- 前記情報分子を生成する工程は、前記情報分子の種類、濃度、構成比率、またはこれらの任意の組み合わせに情報を符号化し、
前記復号化する工程は、前記分子受信機において生起される作用の種類や強弱によって情報を復号化する
ことを特徴とする請求項12に記載の分子通信方法。 - 前記情報分子を生成する工程は、前記情報分子を閉じ込めることが可能な物質で、前記情報分子をカプセル化することによって、前記情報分子を前記分子伝搬経路中の分子を変性させ得る環境因子から保護し、前記情報分子の性質を前記キャリア分子に対して隠蔽することを特徴とする請求項9に記載の分子通信方法。
- 前記情報分子を生成する工程は、前記情報分子に、一本鎖DNAの塩基配列から成る結合部を形成する工程をさらに含み、
前記キャリア分子に搭載する工程は、前記情報分子の結合部と、前記キャリア分子が有する情報分子の結合部と相補性を有する一本鎖DNAの塩基配列とで2本鎖を形成する工程をさらに含む
ことを特徴とする請求項9に記載の分子通信方法。 - 所定の情報が符号化された情報分子を送出する分子送信機と、
前記情報分子を受信する分子受信機と、
前記分子送信機と分子受信機との間を接続する分子伝搬経路と
を含み、
前記分子送信機は、
所定の分子に所定の情報を符号化して情報分子を生成する分子符号化部と、
前記情報分子の宛先である前記分子受信機を識別する標識分子を生成する標識分子生成部と、
前記情報分子および標識分子を前記分子伝搬経路に送出する分子放出部と
を有することを特徴とする分子通信システム。 - 前記分子送信機は、
前記標識分子生成部、および前記標識分子を放出する第1の分子放出部を有する第1の分子送信装置と、
前記分子符号化部、および前記情報分子を放出する第2の分子放出部を有する第2の分子送信装置と
を含み、前記第2の分子送信装置は、
前記第1の分子送信装置からの前記標識分子の放出を検出する標識分子検出部
をさらに有し、前記第2の分子放出部は、前記標識分子の検出に基づいて、前記情報分子を放出することを特徴とする請求項18に記載の分子通信システム。 - 前記分子送信機は、
前記標識分子生成部、および前記標識分子を放出する第1の分子放出部を有する第1の分子送信装置と、
前記分子符号化部、および前記情報分子を放出する第2の分子放出部を有する第2の分子送信装置と
を含み、前記第2の分子送信装置は、
前記情報分子を放出する際に、前記第1の分子送信装置に対して、前記標識分子の放出を指示する標識分子放出指示部
をさらに有し、前記第1の分子放出部は、前記指示に基づいて前記標識分子を放出することを特徴とする請求項18に記載の分子通信システム。 - 前記分子伝搬経路は、流路であり、
前記分子放出部は、前記標識分子と情報分子が前記分子送信機の内部または外部で結合するように、前記標識分子および情報分子を放出し、
前記情報分子は、前記標識分子により前記分子伝搬経路に沿って前記分子受信機まで輸送されることを特徴とする請求項18に記載の分子通信システム。 - 前記分子受信機は、前記標識分子と前記情報分子の結合体を受信し、前記標識分子に結合した情報分子を取り込む標識分子受信部と、
前記情報分子を復号化する復号化部と
を有することを特徴とする請求項18に記載の分子通信システム。 - 分子送信機において、所定の分子に所定の情報を符号化して情報分子と、当該情報分子の宛先である分子受信機を識別する標識分子とを生成し、
前記情報分子が前記標識分子と結合するように、前記分子送信機から前記情報分子と標識分子を分子伝搬経路に放出し、
前記分子伝搬経路により、前記情報分子と標識分子との結合体を、前記分子受信機まで輸送し、
前記分子受信機にて、前記結合体を受信する
工程を含むことを特徴とする分子通信方法。 - 前記分子送信機において、前記標識分子の放出をモニタリングし、
前記標識分子の放出が検出されたときに、これをトリガとして、前記情報分子を放出することを特徴とする請求項23に記載の分子通信方法。 - 前記分子送信機において、前記情報分子を放出するときに、前記標識分子の放出を指示することを特徴とする請求項23に記載の分子通信方法。
- 前記分子受信機において、前記標識分子と情報分子の結合体を受信して、前記標識分子に結合した情報分子を取り込み、
前記情報分子を復号化する
工程をさらに含むことを特徴とする請求項23に記載の分子通信方法。
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