一种以DNA为信息载体的生物纳米物联网系统的制作方法

本发明涉及生物纳米传感、分子通信、纳米物联网，特别涉及一种面向体内活体信息的以dna为信息载体的生物纳米物联网系统。

背景技术：

1、生物纳米物联网(the internet of bio-nano things，iobnt)是一种新兴的领域，将合成生物学、聚合酶链反应(polymerase chain reaction，pcr)技术、dna测序与纳米机器人制备等生物纳米技术与信息通信技术相结合，制备基于生物分子与细胞和纳米机器人作为异构网络的节点，作为信息感知、信息收发、计算等代理功能，利用计算机和通信技术与方法，实现对活体生物环境、肿瘤微环境传感与感知，纳米机器人的通信与组网，并通过海量的纳米机器人形成群体智能，赋能计算与智能，用以解决医学中精准化诊疗、药物开发、纳米医学等诸多应用的挑战。因此，iobnt可以广泛应用于生命科学、健康管理、环境监测、医疗治疗、食品安全等领域。

2、生物纳米传感

3、生物纳米传感是一种利用生物纳米传感器对活体生物环境、肿瘤微环境的传感与感知的新兴技术。生物纳米传感器它承担着对整个iobnt系统中信息感知的任务，是一种利用纳米技术和生物学原理相结合的传感器技术。它通过设计和制造纳米尺度的传感器，利用生物分子、细胞或生物体的特性来检测和监测生物体内或周围的生理或化学参数。生物纳米传感器可以针对特定的生物分子或化学物质进行高度敏感的检测，例如蛋白质、dna、病原体或药物等。这些传感器通常由纳米材料(如纳米颗粒、纳米线或纳米薄膜)构成，这些材料可以与目标分子发生特异性的相互作用，并将其转化为可被iobnt中网络节点或者纳米机器人所利用的信号。

4、基于dna分子通信的iobnt通信机制

5、dna分子通信是实现iobnt中节点之间、局域网之间通信的一种优秀的通信机制。分子通信是一种新型的微观纳米尺度的通信方式，不同于传统的电磁通信方式，分子通信利用蛋白质分子、ran分子、dna分子等作为信息载体，以生物介质环境为通信信道，以自然的生理代谢规律来调制、编码信息。

6、在分子通信机制中对于信息载体的选择十分重要，由于dna分子自身具有持久性、稳定性、大规模并行性、生物兼容性和超高信息密度的特点(4.5×107gb/g，对比现今固态硬盘0.01gb/g高达109量级)，从众多备选信息载体中脱颖而出。现今，生物技术的快速发展使我们能够以更具成本效益的方式大规模地操纵dna，在商业上已然达到大规模制备dna的水平。鉴于目前数据生产的趋势和dna操作技术的快速发展，使得基于dna的iobnt系统成为现实的时机已经成熟。

7、分子通信中有多种传输机制。过往的iobnt技术中，多采用基于扩散和基于分子马达的传输机制。对于基于扩散的传输机制，由于扩散的非控制性，信息分子在流体中的运动是不可控的，这就会造成信息的滞后性，使得信息不能及时高效的进行传递，除此之外，信息段之间的符号间干扰和链路间干扰会使信息出现错误，造成原始信息的错误传递，增加iobnt系统的丢包率。而对于以分子马达为载体的传输机制也存在诸多问题。例如，分子马达面临着脱轨现象并且大多数分子马达在微管上的只能进行单向运动，这可能会影响iobnt在信息传递方面的性能。此外，分子马达的运动还需要外部化学能量的加持。因此，这些原因导致了分子马达也不能成为一个理想的运输载体。针对上述两种信息传输机制的缺点，基于分子料斗的信息传输机制被提出。分子料斗可以实现定向运动，这有利于iobnt中的定向通信。并且，分子料斗可设置运动步长，这对于iobnt中不同大小的数据包的传输是非常有利的。此外，分子料斗的运动不需要外部能量的释放，它通过化学键的形成与断开来实现运动，并且还可以通过外部施加电场，磁场来对分子料斗的运动方向进行控制，这可以提高通信中信息的可控性。以上分子料斗的优点可以大大增强iobnt中分子通信的精确性，降低网络系统的丢包率，提高通信效率。

8、纳米物联网组网

9、iobnt中的纳米机器人和网络节点间根据特定需求和目标，设计和构建计算机网络的过程称之为组网。组网是实现活体生物环境实时监测和反馈，大规模传感器网络的高密度连接，群体智能等复杂功能的重要基础。而网络拓扑形状和路由算法则是决定能否实现纳米物联网组网的两个重要因素。

10、树状拓扑结构是先前iobnt常用的拓扑结构，其类似于树形，是由多个节点组成的层次拓扑结构。树状拓扑结构的优点在于具有分支、扩展和聚合的特性，这种特性使其更适用于分级管理和数据传输。但是，由于树状网络中节点之间的连接关系比较固定，子节点之间的通信必须经过父节点，这也使得树状拓扑结构容易受到单点故障问题的影响，进而可能使得整个网络崩溃。并且树状拓扑结构的层次性使得节点之间的连接关系比较固定，难以根据需要进行灵活的扩展和调整。然而，网格状拓扑结构则可以解决上述问题。网格状拓扑结构中的节点连接方式多样化，每个节点都与多个相邻节点直接相连。这种冗余的连接方式可以提供较高的容错性，即使某些节点或连接发生故障，网络仍然能够正常运行。这使得网格状拓扑结构具有良好的可靠性和鲁棒性。

11、另一个重要因素——路由算法，它是用于在iobnt网络中确定数据包传输路径的算法。它的目标是在网络中选择最佳的路径，以最高效、可靠地将数据包从源节点传输到目标节点。因此，路由算法的正确选择可以的减少网络中的拥塞，从而实现网络系统性能的大幅度提升。

12、纳米物联网的计算与智能

13、纳米物联网中，通过纳米机器人可实现网络中复杂逻辑门的建立，逻辑门是纳米物联网中的基本逻辑功能单元，类似于计算机中的逻辑门。纳米材料和纳米器件可以作为逻辑门的构建材料，用来实现基本的布尔逻辑运算，如与门、或门、非门等。这些逻辑门可以组成纳米级的计算单元，这些计算单元可以执行基本的数学和逻辑运算，从而支持数据处理、分析和决策。多个计算单元又可以组成计算箱，来解决更加复杂的计算任务。

14、对于纳米物联网中更加高级的功能和更加复杂计算、决策，需要群体智能的支持。群体智能指的是在一个群体或集体中，通过成员之间的协作和互动而形成的整体智能。iobnt中纳米机器人代理之间可以通过共享信息、协同决策和任务分配来解决复杂的问题，形成一个动态的网络，该动态网络可以将纳米机器人代理联合起来实现群体智能，而群体智能使得纳米机器人代理能够在不同环境下自适应和调整行为，实现更高级别的智能。

15、现有技术的技术方案

16、当前技术采用一种树状的网络拓扑，模型为二分叉树状，拓扑整体由蛋白质微管构成，一个微管被抽象为一个链路，由于所使用的蛋白质微管在生物学上两端特性不同，所以被分为正(+)负(-)两极，链路间的连接部分被抽象为节点。货物产生的位置被抽象为一个发射机节点。货物接收的位置被抽象为一个接收节点。没有任何子节点的节点被称为终端节点。在该技术方案中货物的运输是由沿着微管移动的两种常见的分子马达——驱动蛋白和动力蛋白进行的。驱动蛋白是一种向微管正(+)极端运动的运动蛋白，动力蛋白则向负(-)极端方向运动。在该技术方案中，使用mrna为信息载体即所需要运送的货物，分子马达携带编译的mran在树状网络拓扑间进行信息传递以及其他功能的实现。

17、现有技术的缺点

18、1.使用mrna作为信息载体，mrna不稳定，很容易受到酶的降解或者其他环境因素的影响，产生变异，这样会使的信息的误码率升高，导致信息传递错误，并且还会导致其寿命很短，不能作为一种长期稳定的信息载体进行储存。mrna在作为信息载体时，负载容量是有限的，它只能携带有限数量的信息，限制了其在传递复杂信息方面的应用。

19、2.使用分子马达对信息载体进行运输，分子马达在微管上运动时有一定的脱轨概率，这会造成iobnt系统的丢包率上升，导致接收机接收到的信息不完整。并且大多数分子马达在微管上的只能进行单向运动，即当需要在一条轨道上进行双向的信息传递时，则需要两种不同的分子马达进行配合运输，这会降低iobnt在信息传递方面的性能。此外，分子马达的运动还需要外部化学能量的加持，这会导致系统成本上升，并且分子马达的运输速度会因为外部提供的能量受到影响，这会导致网络延迟波动，网络吞吐量下降。

20、3.整体的网络结构为二分叉树状，树状网络中节点之间的连接关系比较固定，子节点之间的通信必须经过父节点，这使得树状拓扑结构容易受到单点故障问题的影响，进而可能使得整个网络崩溃。并且树状拓扑结构的层次性使得节点之间的连接关系比较固定，难以根据实际需要进行灵活的扩展和调整，造成网络延迟增高，吞吐量下降。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种以dna为信息载体的生物纳米物联网系统。

2、为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一种以dna为信息载体的生物纳米物联网系统，包括：

4、生物纳米传感模块：负责感知和采集体内活体信息，包括：生理指标、病理标记物和药物浓度。该模块利用生物纳米传感器对目标分子进行特异性识别和高灵敏度检测，实现对体内信息的实时监测和采集。

5、dna信息存储模块：负责将采集到的体内信息转化为dna序列，并在dna上进行编码和存储。该模块利用dna的高信息密度和长期稳定性，将采集到的信息通过dna序列进行存储，可实现大容量、长期保存的数据存储。

6、dna分子通信模块：负责将存储在dna信息存储模块上的信息进行传输和通信。该模块利用dna分子作为信息的载体，通过dna分子序列的编码和解码技术实现信息的传输和解读，实现体内活体信息的远程传输和共享。

7、纳米物联网组网模块：负责将多个节点连接起来，形成一个纳米物联网系统。该模块通过dna分子通信技术和纳米器件实现节点之间的连接和通信，构建纳米级的网络结构，以支持大规模的体内信息传输和共享。

8、数据处理和智能计算模块：负责对采集到的信息进行处理、分析和智能计算。该模块利用dna计算单元和纳米机器人等技术，实现对体内信息的数据处理、模式识别和决策，为医学诊断、治疗方案设计等提供支持和指导。

9、进一步地，所述dna分子通信模块采用iobnt通信机制，包括以下内容：

10、利用分子料斗实现精确的分子通信，通过化学键的形成与断开来实现运动，并且通过施加外部电场或磁场，控制分子料斗的运动方向，从而提高通信中信息的可控性。

11、进一步地，所述纳米物联网组网模块，采用网格状拓扑形状，由k+1行、n列，共m个节点组成，节点之间通过链路进行连接。网络中的每个节点都能够作为发射机和接收机，并且网络中的各节点间直接连接，通过多条路由进行连接通信。

12、进一步地，纳米物联网组网模块还包括网络路由和网络编码；

13、所述网络路由通过iobnt路由算法在明确发射节点与接收节点的具体位置后，根据网络中各节点及链路状态，选择最佳的信息传递路径，提高网络效率，提升信息接收准确率，减少网络内由信息传递造成的能量消耗，大大延长网络使用寿命；

14、所述网络编码通过对数据流进行重新编码和重新组合，实现信息在链路中的快速和可靠传输，并且能够有效的解决网络拥塞现象的发生。此外，网络编码还能够在链路传输过程中处理和恢复出现的错误，从而有效提高数据传输的完整性和可靠性。

15、进一步地，所述纳米物联网组网模块具体包括以下内容：

16、分子料斗纳米机器人：是纳米级别的机器人，可以执行特定的任务，包括传输信息、收集数据。分子料斗纳米机器人通过操纵dna分子来实现网络中复杂逻辑门的建立。

17、dna分子：dna分子能够被编码为特定的序列，用于存储和传递信息。通过利用dna分子的特性，实现逻辑门的功能，进而支持数据处理和决策。

18、逻辑门：用于执行基本的布尔逻辑运算，包括与门、或门和非门。多个逻辑门组合构成纳米级的计算单元，用于解决更加复杂的计算任务。

19、计算箱：多个计算单元组合形成计算箱，用于解决更加复杂的计算任务。计算箱用于执行基本的数学和逻辑运算，支持数据处理、分析和决策。

20、纳米机器人之间通过共享信息、协同决策和任务分配来工作，形成一个动态网络，该动态网络将逻辑门、计算箱和纳米机器人联合起来实现群体智能，而群体智能使得纳米设备能够在不同环境下自适应和调整行为，实现更高级别的智能。

21、进一步地，所述纳米物联网组网模块对网络中的节点响应及链路响应进行了如下推导：

22、所述网络的链路响应如下所示：

23、

24、其中，

25、

26、

27、wk＝ψ(x,s)ψ'(x-lk,s)-ψ'(x,s)ψ(x-lk,s)   (4)

28、lk是链路长度，v、d、λ分别为漂移项、扩散项、反应项，x为分子料斗所在位置，s为拉普拉斯系数，φn,w和φn,k为节点响应，n,k,w均为节点位置索引。

29、所述网络的节点响应如下所示：

30、

31、其中，

32、

33、

34、

35、其中，k’＝k-1+m，k，m分别为节点索引的横坐标和纵坐标。

36、与现有技术相比，本发明的优点在于：

37、1.应用广泛性：本发明能够通过改变网络拓扑规模、路由算法等实现在不同场景下的应用。

38、2.大容量存储：dna分子具有极高的信息密度，可以在极小的空间内存储大量的信息。相比传统的电子存储器，dna存储器具有更大的存储容量，可以满足大规模数据存储的需求。

39、3.高速通信：dna分子通信模块可以实现高速的数据传输和通信。dna分子在体内可以通过基因编辑和重组的方式进行编码和解码，实现高效的信息传递和共享。

40、4.高度稳定性：本发明的网络结构非常稳定，可以耐受极端条件，例如高温、高压、强酸和强碱等。

41、5.高度生物相容性：本发明各组件部分都由天然生物分子组成，因此具有良好的生物相容性。这意味着它们可以在生物体内安全使用，而不会对生物体造成有害影响。

42、6.高度功能性：本发明可以被定制以具有特定的功能。所提iobnt系统可实现，但不仅限于以下功能：

43、精准医疗：可以通过人体生命体征的定时可视化，分析以前不可见的数据，例如肿瘤微环境中的ph值变化、血流速度变化、血液黏稠度变化等，以制定个性化的医疗方案。

44、定向治疗：可用于定向/定量药物释放，将药剂传递到病变细胞处，从而实现更加高效的治疗效果；

45、健康监测和生活指导：可以监测生命体征，将其与运动和饮食习惯等数据相结合，以更加全面地了解身体状况和健康状况，并提供个性化的健康指导。