Implantate und winzige Maschinen könnten irgendwann in unserem Körper arbeiten, um Krankheiten zu behandeln oder Aktivitäten zu überwachen, aber es ist schwierig, sie zur Kommunikation zu bewegen. Jetzt haben EPFL-Wissenschaftler ein System entwickelt, bei dem Geräte kommunizieren können, indem sie Moleküle in den Blutkreislauf eines Patienten abgeben.
Biomedizinische Implantate spielen eine Schlüsselrolle im Gesundheitswesen, da sie die Aktivität von Organen wie dem Herzen oder dem Gehirn überwachen, während neuere Forschungen untersuchen, wie nanoskalige Roboter eines Tages im menschlichen Körper schwimmen oder kriechen könnten, um Krankheiten zu bekämpfen. Aber diese Systeme haben alle ein Kommunikationsproblem.
Es ist nicht nur unpraktisch, Kabel im Inneren des Körpers zu verlegen, es birgt auch die Gefahr einer Infektion. Allerdings breiten sich drahtlose Technologien wie Radio, Licht und Bluetooth im menschlichen Gewebe nicht effizient aus, was ihre Ausbreitungsreichweite stark einschränkt.
Jetzt haben EPFL-Wissenschaftler ein Proof-of-Concept-System namens biomolekulare Kommunikation demonstriert. Die Idee besteht darin, Mikro- oder Nanoroboter und Implantate kommunizieren zu lassen, indem sie bestimmte Moleküle in den Blutkreislauf abgeben – im Grunde kann die Anwesenheit eines Moleküls von der Maschine als „1“ interpretiert werden, während seine Abwesenheit eine „0“ darstellt.
„Biomolekulare Kommunikation ist zum am besten geeigneten Paradigma für nanoimplantierbares IoT geworden“, sagte Haitham Al Hassanieh, Autor der Studie. „Es ist eine unglaubliche Idee, dass wir Daten senden können, indem wir sie in Moleküle kodieren, und dann über das Blut mit ihnen kommunizieren und ihnen sagen können, wohin sie gehen und wann sie die Behandlung abgeben sollen, genau wie Hormone.“
Das Forschungsteam wandte elektronische Netzwerktechniken wie Paketinspektion, Kanalschätzung sowie Kodierungs- und Dekodierungsschemata auf molekulare Netzwerke an. Dies trägt zur Überwindung biologischer Probleme wie Kanalinstabilität, mangelnder Synchronisation und Rückkopplung bei.
Die Forscher testeten die Technologie im Labor an einem synthetischen Kreislaufsystem, das aus Schläuchen und Pumpen besteht, die Blutgefäße und das Herz nachahmen. Durch Tests stellten sie fest, dass die Technologie molekulare Signale gleichzeitig an bis zu vier Geräte übertragen kann und damit bestehende Technologien übertrifft.
Natürlich lässt sich der Erfolg von Labortests nicht zwangsläufig auf den Einsatz im wirklichen Leben am Menschen übertragen, und das Team erkennt an, dass bei lebenden Patienten noch viel mehr Faktoren eine Rolle spielen. Sie sagen jedoch, dass es sich um einen vielversprechenden ersten Schritt in Richtung des endgültigen Ziels handelt. Andere Wissenschaftler haben erfolgreich Daten durch Ionenaustausch in menschlichem Gewebe übertragen.
Diese Forschung wurde auf der ACMSIGCOMM2023-Konferenz im September dieses Jahres vorgestellt.