Nanomaterials as information particles for application in wave-denied environments

"Aware of its responsibilities and confident in its role, communication is a social expression, a value placed at the service of someone or something outside oneself: it is not enough to pronounce, write or draw in order to communicate; communication happens when it arrives, when the expression is comprehensible and becomes common knowledge for the construction of a discussion, a knowledge, a culture." This is a romantic definition of the word communication. Communication is embedded in nature and can be defined as behavioral, chemical or verbal. We, humans, have been using communication since time out of mind, mainly for the purpose of transferring information or a request to another living being. Nowadays, there are many different communication mediums that are widely used in all their forms, and technology has provided us with multiple platforms that allow us to connect two or more individuals in any place and at any time, request information or transfer a command to a device. In this perceived perfection, there are, however, several unresolved problems deriving from the type of carrier used to transfer the information. Typically, communication media use wired and wireless networks as channels through which data to be transmitted propagates to reach the destination, but there are several contexts in which these two channels cannot be used, e.g. due to engineering difficulties, or because of the impossibility caused by damage caused by electromagnetic radiation or its excessive attenuation. The aim of this PhD project is to propose molecular communication as an alternative communication medium, applicable in wave-denied contexts, to connect intelligent devices implanted in biological systems. This innovative bio-inspired communication method consists in using particles (e.g. chemicals, nanoparticles, proteins, pheromones, etc.) as a vector for the message to be transmitted, just as nature has been doing for millions of years. The development of this project has mainly touched on three areas of imolecular communication: the choice of the information particle in which to encode the information to be transmitted, the development of innovative modulation methods to make molecular communication reliable in particular environments that are difficult to control from the outside, and the exploitation of the characteristics of the communication channel to the advantage of the modulation methods themselves as a further optimization method.

“Consapevole delle proprie responsabilità e forte del proprio ruolo, la comunicazione è un’espressione sociale, un mettere un valore al servizio di qualcuno o qualcosa fuori da sé: non basta pronunciare, scrivere o disegnare per comunicare; la comunicazione avviene quando arriva, quando l’espressione è compresa e diventa patrimonio comune per la costruzione di una discussione, di un sapere, di una cultura.” È questa una romantica definizione della parola comunicazione. La comunicazione è insita nella natura e può essere definita come comportamentale, chimica o verbale. Noi umani da sempre ci avvaliamo della comunicazione, soprattutto dedita allo scopo di trasferire una informazione oppure una richiesta ad un altro essere vivente. Ad oggi i mezzi di comunicazione son tanti ed ampiamente utilizzati in tutte le loro forme, d’altronde la tecnologia ci ha messo a disposizione molteplici piattaforme che consentono di mettere in contatto due o più individui in qualsiasi luogo ed in qualsiasi momento, richiedere una informazione oppure trasferire un comando ad un dispositivo. In questa presunta perfezione, sono presenti però alcuni problemi irrisolti che derivano proprio dal tipo di vettore utilizzato per il trasferimento dell’informazione: tipicamente i mezzi di comunicazione utilizzano reti cablate e reti wireless come canali nel quale il dato da trasmettere si propaga per raggiungere il destinatario, ma sono diversi i contesti nel quale questi due canali non sono utilizzabili, vedi per difficoltà di tipo ingegneristico, vedi per impossibilità causata da danni provocati dalla radiazione elettromagnetica o comunque eccessiva attenuazione della stessa. Con questo progetto di dottorato, si vuol proporre la comunicazione molecolare come mezzo alternativo di comunicazione, applicabile in contesti “wave-denied”, per collegare dispositivi intelligenti impiantati nei sistemi biologici. Questo innovativo metodo di comunicazione bioispirato consiste nello sfruttare particelle (ad esempio chemicals, nanoparticelle, proteine, feromoni etc.) come iiivettore per il messaggio da trasmettere, esattamente come la natura fa da milioni di anni. Lo sviluppo di questo progetto ha toccato principalmente tre ambiti della comunicazione molecolare: la scelta della information particle nel quale codificare l’informazione da trasmettere, lo sviluppo di innovativi metodi di modulazione per rendere affidabile la comunicazione molecolare in ambienti particolari e poco controllabili dall’esterno, sfruttare le caratteristiche del canale di comunicazione a vantaggio dei metodi di modulazione stessi come ulteriore metodo di ottimizzazione.