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计算机科学 > 新兴技术

arXiv:1808.05147 (cs)
[提交于 2018年8月14日 (v1) ,最后修订 2019年2月4日 (此版本, v2)]

标题: 基于磁性纳米颗粒的微流控环境分子通信

标题: Magnetic Nanoparticle Based Molecular Communication in Microfluidic Environments

Authors:Wayan Wicke, Arman Ahmadzadeh, Vahid Jamali, Harald Unterweger, Christoph Alexiou, Robert Schober
摘要: 通过非侵入性方式引导和控制磁性纳米颗粒的可能性,催生了生物技术中的各种应用,如靶向药物输送和生物物质的传感。 这些应用得益于所使用颗粒的尺寸、选择性化学反应性和总体化学组成的工程设计。 鉴于其广泛的应用和优良的性能,本文提供了对磁性纳米颗粒在分子通信系统设计中潜在优势的理论研究。 具体而言,我们考虑在微流体通道中基于磁性纳米颗粒的通信,其中外部磁场被用来将携带信息的颗粒吸引到接收器。 我们表明,受布朗运动、流体流动和外部磁场影响的粒子传输可以数学建模为带有漂移的扩散过程。 由此,我们揭示出决定磁力的关键参数是颗粒大小和磁场梯度。 此外,我们推导出信道脉冲响应的解析表达式,该表达式用于评估由于磁场而带来的预期观察到的纳米颗粒数量的潜在增益。 此外,采用符号错误率作为性能指标,我们表明使用磁性纳米颗粒可以在存在干扰流体流动的情况下实现可靠的通信。 通过基于粒子的仿真获得的数值结果验证了推导出的解析表达式的准确性。
摘要: The possibility to guide and control magnetic nanoparticles in a non-invasive manner has spawned various applications in biotechnology such as targeted drug delivery and sensing of biological substances. These applications are facilitated by the engineering of the size, selective chemical reactivity, and general chemical composition of the employed particles. Motivated by their widespread use and favorable properties, in this paper, we provide a theoretical study of the potential benefits of magnetic nanoparticles for the design of molecular communication systems. In particular, we consider magnetic nanoparticle based communication in a microfluidic channel where an external magnetic field is employed to attract the information-carrying particles to the receiver. We show that the particle transport affected by Brownian motion, fluid flow, and an external magnetic field can be mathematically modeled as diffusion with drift. Thereby, we reveal that the key parameters determining the magnetic force are the particle size and the magnetic field gradient. Moreover, we derive an analytical expression for the channel impulse response, which is used to evaluate the potential gain in the expected number of observed nanoparticles due to the magnetic field. Furthermore, adopting the symbol error rate as performance metric, we show that using magnetic nanoparticles can enable reliable communication in the presence of disruptive fluid flow. Numerical results obtained by particle-based simulation validate the accuracy of the derived analytical expressions.
评论: 15页(双栏),8图,1表。已接受发表于IEEE Transactions on NanoBioscience(TNB)。(作者注:这是会议论文arXiv:1704.04206的扩展期刊版本)
主题: 新兴技术 (cs.ET) ; 流体动力学 (physics.flu-dyn)
引用方式: arXiv:1808.05147 [cs.ET]
  (或者 arXiv:1808.05147v2 [cs.ET] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.1808.05147
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI
相关 DOI: https://doi.org/10.1109/TNB.2019.2895244
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来自: Wayan Wicke [查看电子邮件]
[v1] 星期二, 2018 年 8 月 14 日 15:16:52 UTC (628 KB)
[v2] 星期一, 2019 年 2 月 4 日 18:05:50 UTC (5,892 KB)
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