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4. 无线体内纳米网：电磁传播模型和传感器部署要点

2022-07-03 12:00:00 【Turing_321】

$\qquad$ 本文有两个目标，一是介绍无线体内纳米网的电磁传播模型，二是归纳体内传感器在网络中的部署要点，为的是帮助象我一样的非专业人士进一步明晰体内纳米网中“如何地？可行吗？”的问题。文章首节简介了纳米尺度和纳米器件的有关知识，给出了包括人体组织成分在内的各种纳米级对象的尺度，以方便展开随后的描述和讨论。

$\qquad$ 本文内容组织如下：

纳米尺度/器件简介
(1) 1-纳米到底有多小？
(2) 人体各种成分的大小
(3) 纳米技术与石墨烯
(4) 自主纳米器件
电磁通信模型^[4]
(1) 导言
(2) 路径损耗
(3) 噪声
(4) 带宽和信道容量
(5) 附加通道效应
(6) 改善通道介电性能^{[11] [12]}
(7) 皮肤屏障^[7]
(8) 结论
传感器部署要点
(1) 互连千百个传感器
(2) 分布式地执行任务
(3) 特定于功能、目标、模型而部署^[9]
(4) 按集群组织和管理
(5) 按体内区域和循环系统组织和管理

其中，如果标题后标注了文献号，如[x]，表示如果没有进一步的标注，则那一（小）节的内容主要参考自[x]。

1. 纳米尺度/器件简介

(1) 1-纳米到底有多小？

$\qquad$ 1-纳米到底有多小？1-纳米是10亿分之1米 (10^{-9 m})。表1和图1显示了各种纳米级对象的大致尺寸。如果有可能将10个氢原子并排放置，它们的组合宽度约为1纳米。现代台式计算机中的典型处理器约为10毫米宽、10毫米长——用纳米表示，这个宽度和长度接近1000万纳米！其他计算机通常要小得多；如今，手机、汽车和许多其他设备中使用的嵌入式处理器的面积只有1平方毫米的几分之一。纳米计算机更小；电子、原子、DNA、以及蛋白质都是纳米级的，它们提供了各种各样的方式来表示和操作数据。^[1]

表1：各种纳米级对象的大小

对象	大小 (nm)
人的头发 (Human hair)	50,000
可见光波长 (Wavelength of visible light)	400-700
典型病毒 (Typical virus)	100-300
现代CMOS制造工艺 (Modem CMOS fabrication process)	45-120
量子点 (Quantum dot)	2-100
单个蛋白质 (A protein)	3-15
单个碳纳米管的直径 (Diameter of a carbon nanotube)	2-10
单个DNA链的厚度 (Thickness of a DNA strand)	2
X-射线波长 (Wavelength of X-rays)	0.01-10
氢原子 (Hydrogen atom)	0.1
电子波长 (Wavelength of an electron)	< 0.1

各种纳米级对象的大致尺寸

图1. 各种纳米级对象大小（左：对象大小，对数刻度；右：对象相对大小比较）（图片来自文献[1]）

(2) 人体各种成分的大小

$\qquad$ 前一小节中的表1和图1包含了一些人体组织成分的大小，下面的表2列出了更多此类成分的数据。对于随后将要说明的太赫兹电磁信号（波长30-3000 μm）的传播和各种成分的传输而言，一个很好的例子是人体血液循环系统及其包含的成分。如图2所示，人体血液由各种成分组成。血浆是血液的液体成分，主要由水（体积比高达95%）和溶解蛋白质、葡萄糖、以及矿物质等微小颗粒组成。它还含有不同类型的悬浮血细胞，被认为是血液中较大的颗粒，即血小板（直径2 μm）、红细胞（7 μm）、以及白细胞（最大20 μm）。^[2]

表2：人体组织成分的大小和尺寸相当的纳米元器件

人体组织成分	大小（直径）	尺寸相当的纳米元器件
水分子	~0.28 nm
DNA链的厚度	2 nm	碳纳米管（直径）
蛋白质	3-15 nm	量子点
血小板	2 μm	简单纳米器件
红细胞	7 μm	自主纳米器件
毛细血管	6-8 μm	自主纳米器件
白细胞	< 20 μm	复杂纳米器件
皮肤细胞	< 60 μm
动静脉血管壁厚	~1 mm
动静脉血管	几mm

人体血液成分

图2. 人体血液成分（图片来自文献[2]）

(3) 纳米技术与石墨烯

$\qquad$ 纳米技术可以从字面上解释为纳米级的技术。人们普遍认为，在考虑至少有一个维度小于100纳米(nm)的器件时，使用术语纳米技术、纳米计算、以及纳米尺度^[1]。纳米技术是一个真正的多学科领域，已经产生了许多发现，例如石墨烯及其不可思议的性质。事实上，石墨烯被认为是开发以下1-纳米到几百纳米电子元件（纳米组件）的关键^[3]：

纳米场效应管 (Nanoscale FET transistors)
纳米传感器 (Nanosensors)
纳米致动器 (Nanoactuators)
纳米电池 (Nanobatteries)
纳米天线 (Nano-Antennas)

碳纳米管

图3.碳纳米管（图片来自文献[3]）

(4) 自主纳米器件

$\qquad$ 将以上纳米组件集成到一个尺寸只有几微米的设备中，将产生能够在纳米级执行特定任务的自主纳米器件(autonomous nano-devices)，如计算、数据存储、传感、或驱动。以下是一个具有通信能力的纳米传感器的概念架构。^[3]

一个具有通信能力的纳米传感器

图4.一个具有通信能力的纳米传感器（图片来自文献[3]）

2. 电磁传播模型^[4]

(1) 导言

$\qquad$ 至此，我们已经了解到，纳米尺度既是1-纳米到几百纳米的电子元件的合适量度，也是分子、蛋白质、DNA、细胞器和细胞主要成分的自然领域，并且后者中一些可以与前者一起用作集成纳米器件的构建块。构建的器件能够执行简单的任务，如传感、计算、数据存储、或驱动。纳米通信，即纳米器件之间的信息传输，将在复杂性和操作范围方面扩展这样的单个器件的能力。其中，“无线纳米传感器网络，即数百或数千个纳米传感器和纳米驱动器的互连，放置在人体内或其他区域的各种位置”，是这种新范式最有前景的应用之一。

$\qquad$ 对于纳米器件之间的通信，基本上，有两种方法，“即分子通信，即以分子编码的信息的传输；以及纳米电磁通信，其定义为基于新纳米材料的纳米级组件的电磁辐射的传输和接收。”通常的认识是，电磁通信比分子通信更具优势，因为它们对流体介质、流动、或湍流的依赖性较小。

$\qquad$ 从电磁(EM)角度看，将一个微型传统金属天线缩小到几百纳米需要使用极高的谐振频率，大约数百太赫兹（THz或10¹² Hz）的量级，从而将影响纳米器件之间电磁无线通信的可行性。不过，用石墨烯来制造纳米天线可以克服这一限制。事实上，电磁波在碳纳米管(CNTs)和石墨烯纳米带(GNRs)中的传播速度可以比真空中的光速低100倍，具体取决于结构的几何形状、温度、以及Fermi能量。因此，基于石墨烯的纳米天线的谐振频率比用非碳材料制成的纳米天线的谐振频率低两个数量级。据文献介绍，人们发现基于GNRs的纳米贴片天线和约1-μm长的基于CNTs的纳米偶极子天线都能共振于太赫兹波段(0.1 - 10.0 THz)。根据这一结果，人们设想了在太赫兹波段运行的纳米电磁网络。为此，需要在纳米尺度上刻画太赫兹通道。

$\qquad$ 太赫兹电磁传播通道可以用经典射频传输理论和模型刻画，目标是根据在分布有新型纳米材料的介质中所观测到的独特性质，来决定电磁辐射发射的特定带宽、发射的时间延迟、以及发射的功率大小。对于需要在非常短的距离内（远小于1米）通信的体内纳米网而言，存在三种主要的信号传播影响，即扩散、分子吸收、以及散射。

(2) 路径损耗

$\qquad$ 研究人员发现，由于电磁波在体内传播时的路径损耗和散射，纳米通信无法在太赫兹信道的任何特定频率下实现。“一个太赫兹波段的行波的总路径损耗定义为扩散损耗和分子吸收损耗之和。扩散损耗用波在介质中传播时的扩展而造成的衰减来解释，它仅取决于信号频率和传输距离。吸收损失用传播中的一个波会经受由于分子吸收（即波的部分能量转化为介质中某些分子的内部动能的过程）而引起的衰减来解释。这与沿途遇到的特定分子混合物及其浓度有关。不同类型的分子具有不同的共振频率；此外，每个共振处的吸收并不表现为集中于单个中心频率，而是分布在一个频率范围内。因此，太赫兹信道具有很强的频率选择性。” 路径损耗计算的公式和细节见[5]或[2]。

图5. 当电磁波在含有1%水蒸气分子的标准介质中传播时，作为频率和距离函数的总路径损耗(dB)（路径损耗值已在120 dB处被截断，以避免掩盖相关的短距传输窗口）。（图片来自文献[4]）

$\qquad$ 在图5中，在含有1%水分子的标准室温条件下（压力1 atm，温度296 K），一个太赫兹波段的电磁波，其总路径损耗被显示为频率（x-轴）和距离（y-轴）的函数。该图是使用[5]中介绍的纳米级太赫兹信道传播模型获得的。由此以及其他进一步的实验表明，人体细胞组织和体液中的分子阻碍了无线电波的传输，并缩短了从外部发射的电波的传播距离。事实上，由于扩散损耗，总路径损耗随着距离和频率的增加而增加，与信道的分子组成无关，类似于兆赫或几千兆赫频率范围内的传统通信模型。然而，路径上的几个分子，特别是水蒸气的存在，定义了几个衰减峰值，距离大于几十毫米。所拾取的这些峰值的功率和宽度与吸收分子的数目有关。假设它们的浓度在空间中是均匀的，这个数目会随着距离的增加而成比例加大，但我们也可以设想不均匀的浓度，甚至是横穿网络的突然分子爆发。

(3) 噪声

$\qquad$ 太赫兹信道中的环境噪声主要由分子噪声引起。介质中分子的吸收不仅会衰减传输信号，还会引入噪声。接收器处的等效噪声温度将由路径上发现的分子数量和特定混合物决定。此外，该分子噪声既不是高斯噪声，也不是白噪声。事实上，由于每种分子的共振频率不同，该噪声的功率谱密度不是平坦的，而是有几个峰值。这种类型的噪声只有在传输时才会出现，也就是说，除非正在使用信道，否则不会出现噪声。

$\qquad$ 在图6中，在含有1%水分子的标准室温条件下（压力1 atm，温度296 K），由一个太赫兹波段电磁波产生的分子噪声温度（单位：Kelvin）被显示为频率（x-轴）和距离（y-轴）的函数。该图是使用[5]中介绍的纳米级太赫兹通道的传播模型获得的。该分子噪声只有在传输距离超过几十毫米时才会变得很显著。

电磁噪声温度作为频率和距离的函数图6. 在含有1%水蒸气分子的标准介质中，电磁噪声温度（单位：Kelvin）作为频率和距离的函数。（图片来自文献[4]）

(4) 带宽和信道容量

$\qquad$ 分子吸收将决定太赫兹信道的可用带宽。因此，可用带宽将取决于信道的分子组成和传输距离。在一个纳米网络中，不太可能实现几十毫米以上的单跳传输距离。在这个范围内，可用带宽几乎是整个频段，范围从几百千兆赫兹到近十太赫兹不等。因此，太赫兹波段无线纳米传感器网络的预测信道容量非常大，大约为每秒几太赫兹^[5]。

(5) 附加通道效应

$\qquad$ 除了极高的路径损耗和分子噪声，多径衰落和纳米粒子散射也会影响信号传播。

A. 多径传播

$\qquad$ 多径衰落(Multi-path fading)与纳米传感器设备的部署情况有关，原因是传输信号的多个副本将到达接收器。这些副本的组合将导致接收中检测到的功率产生振荡。对于反射信号，每次反射的振幅将取决于其传播的距离以及反射表面的材料类型、形状、粗糙度。例如，在办公室甚至人类皮肤中发现的常见材料具有不可忽略的粗糙度，这可能会损坏反射信号的振幅和相位。因此，为了正确考虑这些多重反射并开发出新的模型，首先需要刻画场景中常见材料的反射系数；其次，需要使用足够适当的粗糙表面散射模型。有关文献已经发表了一些初步研究结果，但缺少对纳米尺度的具体化。

B. 纳米颗粒散射

$\qquad$ 粒子散射(Particle scattering)是介质中的分子和其他粒子对传输的信号产生的散射效应。在某些应用中，这些效应几乎可以忽略不计，但在其他情况下，这些效应会极大地影响纳米传感器之间的通信性能。例如，一个水蒸气分子的直径约为0.28 nm，比太赫兹频率范围（30至3000 μm）内的信号波长低5个数量级以上。这种比信号波长小得多的粒子的散射称为瑞利散射^{[2] [5]}，可以将其视为额外的功率损耗。然而，当考虑包含合成纳米结构、磁性纳米颗粒、或纳米壳的场景时，就有必要理解、建模、以及解释它们对透射波的散射了。

$\qquad$ 对于说明各种成分的散射，一个很好的例子是人体血液中的散射，其中散射体的大小远小于传播的THz波的波长，参见第1节、第(2)小节中的图2及相应描述。有关人体组织散射导致的体内路径损失的计算公式和数值结果参见[2]。

(6) 改善通道介电性能^{[11] [12]}

$\qquad$ 在第(2)小节有关“路径损耗”的介绍中，没有对信号在人体内传播的一个重要细节加以强调，即为了保持信号质量以及传播距离，需要石墨烯这样的材料在体液和组织中存有足够的量，以便纳米器件之间能够建立适当的连接^[6]。按照经典射频传输理论，原则上，通过改善构成通道的复合材料（基材）的介电性能，包括提高介电常数和降低介电损耗，就能达到这一目标。

$\qquad$ 在人体电磁传播模型中，传播通道是血管或肌肉组织等，因此实现上述目标的最一般原则是：将特定的石墨烯衍生材料作为填料，按适当的比例均匀地填充到血管或肌肉组织等之中。

$\qquad$ 这方面的技术和应用细节相当专业，有些甚至涉及商业秘密，然而作为理解电磁传播模型的重要内容，它们必不可少。为此，本小节尝试根据收集到的一些公开资料，对 “如何以石墨烯衍生材料作为填料并将其按一定比例填充到环氧树脂这样的基材中，以改善基材介电性能” 的基本原理和合成步骤加以归纳和简介，作为有志者进一步探索的参考。

原理和步骤

$\qquad$ 石墨烯(graphene)也称单层石墨，是一种单个原子厚度的碳片，呈六角形晶格结构，物理上称为sp2-杂化结构(sp2-hybridized structure)，由原子之间通过共价键结合而形成。在原始状态下，石墨烯不仅是最薄、最强、最硬的材料，而且是一种优秀的导热和导电体，参见图7。

石墨烯片是其他石墨材料的建筑块图7. 石墨烯片是其他石墨材料的构建块：相互粘合在一起形成石墨；卷起形成碳纳米管；切割并折叠成球形，制成富勒烯(fullerene)。（图片来自文献[13]）

$\qquad$ 然而，利用石墨烯的主要障碍，尤其是在电子应用中，缘于在完全还原的状态下，由于烯片之间的强亲和力，石墨烯具有不溶性。用强酸对石墨烯进行氧化，通过在其边缘和基面形成大量含氧基团，是一种使石墨烯具有可溶性的有效方法，参见图8。然而，得到的氧化石墨烯(GO)的sp2-杂化结构被严重破坏，使得导电性变差。

$\qquad$ 对氧化石墨烯进行还原处理被认为是获得类石墨烯表现的一条途径，包括高导电性。化学、热、或光-热还原方法可以用于获得还原的氧化石墨烯(rGO)结构，参见图8。然而，并不能让rGO达到原始石墨烯的结构。即使在严重还原后，rGO仍然含有残余氧和在GO化学氧化合成中产生的结构缺陷。rGO产物中的C/O比是一个重要指标。C/O比越高，rGO的性质与原始石墨烯的性质越接近。

将(G氧化为GO，再还原为rGO

图8. 将石墨烯(G)氧化为氧化石墨烯(GO)，再还原为还原氧化石墨烯(rGO)（图片来自文献[12]）

$\qquad$ 在介电材料合成中，导电石墨烯已经被证明是一种理想的填料，能够以较低的填料比例提高基材的介电常数和机械强度。然而，填充了石墨烯的基材的介电损耗会大大提高。为此，近年来，广泛采用了一种通过优化微观结构和控制石墨烯分布的“核-壳”策略，其中将石墨烯作为核，将绝缘聚合物或无机粒子作为壳。这种“核-壳”结构是设计功能化材料的一个有吸引力的框架，因为它在调节各种成分的物理和化学性质方面具有多功能性。一些研究人员定制出了功能化的复合材料，能够以低填料比例和低介电损耗获得高介电常数。

$\qquad$ 综上，用石墨烯作为填料来改善基材介电性能的基本工艺步骤可归纳如下（参见图9）：

为获得填料的分散性，采用一种化学处理方法将石墨烯合成为GO；
为获得填料的可溶性，将GO用一层薄薄的水溶性化合物（记为PEG）包裹，合成出一种多段分散的氧化石墨烯([email protected])；
为重新获得高导电性，将[email protected]进行化学处理，还原为[email protected]；
为获得性能改善的介质，用一种溶液混合法将[email protected]并入基材。

其中的[email protected]具有一种“核-壳”的结构，在基材中表现出均匀的分散性，并能有效地降低介电损耗，从而使最终的复合材料具有优异的介电性能。

用Amino-PEG包裹石墨烯纳米片并用它充填环氧树脂得到PEG@rGO/epoxy复合材料图9. 用Amino-PEG包裹石墨烯纳米片并用它充填环氧树脂，得到[email protected]/epoxy复合材料（Amino-PEG代表Amino polyethylene glycol，氨基聚乙二醇）。（图片来自文献[11]）

(7) 皮肤屏障^[7]

$\qquad$ 无线纳米通信网面临的另一个关键挑战是信号进出人体的障碍，即皮肤屏障，这是由真皮的特性引起的。真皮由不同的层组成，这些层使信号变得模糊，导致后者在纳米电磁通信中失去通道路径。^[6]

$\qquad$ 电磁场具有电场和磁场分量，热效应是其对人类和生物系统可能产生的主要影响。热效应是由对偶极分子和电荷载体的周期性运动刺激引起的。例如，对于自由移动和旋转的水中的水分子、体液、或含水组织，热效应由旋转分子和/或其他原子的移动电荷载体之间的摩擦产生。

$\qquad$ 对于人体组织通过热转换从电磁场吸收的能量的数量，磁场的频率、强度、以及体内组织的成分（水、血液、脂肪、蛋白质、以及盐含量）起着重要作用。

电磁场频率越高，人体表面吸收就越强，磁场能够穿透人体的距离就越短。相对穿透深度定义为组织中的电磁场的输出振幅衰减为约37%的点。而绝对穿透深度，即磁场能穿透人体的深度，也取决于输出磁场强度。
穿透深度与体内组织的热效应有关。大脑、脂肪、以及骨组织比肌肉组织的穿透深度要高（见图10），因为肌肉组织吸收场能的范围更大，因此能够最有效地将场能转化为热量。例如，肌肉组织的平均穿透深度，在较低的0.5–2.5 GHz频段（用于移动通信和微波炉）约为1.5–0.5 cm，而在10 GHz以上频段则仅约为0.2 mm或更小。

电磁场在人体组织中的穿透深度

图10. 电磁场在人体组织中的穿透深度取决于频率和组织类型（对数标度）（图片来自文献[7]）

$\qquad$ 2020年的IEEE Consumer Electronics Magazine上发表的一篇新论文评估了三种无线通信系统（5G、4G和3.9G）的人体射频暴露情况，发现5G的高频皮肤穿透能力非常强烈，尽管穿透深度较浅，参见图11。作者表示，“高频EMF不能深入人体皮肤并不意味着它没有危险。” ^[8]

三种无线通信频段（5G、4G和3.9G）穿透人体皮肤深度的比较

图11. 三种无线通信频段（5G、4G和3.9G）穿透人体皮肤深度的比较（图片来自文献[8]）

$\qquad$ 这里讨论皮肤屏障的主要目的是为体内微米/纳米接口与体外网络设备之间的通信连接提供依据。很明显，由于较低的GHz频段(0.5–2.5 GHz)和更高的频段（包括THz频段）的平均穿透深度分别为1 cm上下和0.2 mm以下，因此无论采取什么方案，都需在体表组织内植入器件。进一步，对于设计该器件，有以下两种可供考虑的方案。

A. 收发GHz频段 (0.5–2.5 GHz) 信号

$\qquad$ 在这种方案中，该植入器件被设计为能够收发GHz频段 (0.5–2.5 GHz) 信号。从功能上看，该器件是负责完成信号转换THz <=> GHz的微米-纳米接口的一部分。由此，微米-纳米接口是一种混合装置，负责接收来自外部（内部）的信号并将其传输到内部（外部）。它使用THz波段与纳米侧（人体或植物内部）通信，以及使用经典通信范式与外部世界通信。^[6]

$\qquad$ 相比于后一种方案，这种方案对人体的伤害较小，工业和技术兼容性更强，是目前的通常选择。参见无线身域网：架构和通信一文中关于层-2和层-3通信服务的介绍。

在这里插入图片描述

图12. 收发GHz频段信号的微米-纳米接口（图片来自文献[9]）

B. 用THz频段(0.1 - 4 THz)信号进行通信

$\qquad$ 在这种方案中，该植入器件被设计为用THz频段(0.1 - 4 THz)信号进行通信。这是一种仍处于探索和研究中的技术，它试图确定出适合在不丢失信号的情况下穿透皮肤的THz波段，从而让体内纳米接口能够直接收发THz频段信号。例如：文献[10]为丰富THz波段生物组织参数数据库，进行了生物组织谱系和建模的研究，得出了THz时域谱（TOS）的典型范围为0.1-4 THz的结论，以及成功模拟了能够最大程度减少噪声的适当频带和传播方案，并找到了通信穿透问题的原因。

(8) 结论

$\qquad$ 对于体内纳米网的电磁通信，经过上述模型介绍以及本文无法进一步展开讨论的相关重要研究，能够得出以下若干具有参考意义的结论。

A. 体内的通信

$\qquad$ 对于体内器件间的通信，可以确定出以下基本信道参数：

总体频率范围：通过体内组织传播信号，频率范围为(0.1-10.0 THz)；
特定频率范围：通过血液和肺部气体传播信号，频率范围为(0.01-0.96 THz)。它是通过量化噪声和热力学的人体影响，从人体组织数学模型中获得的^[6]；
单跳传输距离：体内器件间的单跳传输，距离最大为几十毫米；
预测信道容量：在上述单跳传输距离内，可用带宽几乎为整个频段，范围从几百千兆赫兹到近十太赫兹不等。

B. 体内与体上的通信

$\qquad$ 关于体内器件与体上器件之间的通信，“皮肤屏障”一节给出了两种可供考虑的技术方案，下面归纳一下与其中的皮下植入器件有关的特性和参数。

GHz频段植入器件：
- 植入深度（参考）：皮下1cm之内；
- 收发频率范围：0.5–2.5 GHz；
- 注释：需要体内纳米接口完成信号转换THz <=> GHz。
THz频段植入器件：
- 植入深度（参考）：皮下0.2 mm之内；
- 收发频率范围：0.1 - 4 THz。

3. 传感器部署要点

$\qquad$ 本节给出有关纳米传感器在体内部署的几点一般认识。传感器一词在本节中经常指代组成体内纳米网的各种纳米组件和器件。

(1) 互连千百个传感器

$\qquad$ “无线纳米传感器网络，即数百或数千个纳米传感器和纳米驱动器的互连，放置在人体内或其他区域的各种位置。”^[3]

无线体内纳米传感器网络

图13. 无线体内纳米传感器网络（图片来自文献[9]）

(2) 分布式地执行任务

$\qquad$ 建立这种网络的目的是“克服单个纳米传感器的局限，将它们互连，以分布的方式执行更复杂的任务。”^[3]

以分布的方式执行复杂的任务

图14. 以分布的方式执行复杂的任务（图片来自文献[9]）

(3) 特定于功能、目标、模型而部署^[9]

$\qquad$ 在这种网络中，每个纳米传感器的位置可以是固定的或活动的，它们具体的固定位置或活动的物理-化学机制是特定于任务目标和技术模型的。

例如，较小的石墨烯量子点GQDs既能作为纳米天线来工作，也能通过循环系统、动脉、静脉、毛细血管来传导，起着电标记物的作用，同时还具有生物性，因为它们能够吸附血液中的蛋白质和其他成分（参见图15）。
又如，尽管较大的纳米传感器可以形成于体内任何部位，但基本上形成于内皮细胞和血管壁中（参见图15）。
再如，更大的纳米路由器会固定在具有优先电活动的区域，即靠近具有纳米传感器和纳米天线的区域。
以及，最大的微米-纳米接口为了收发GHz频段信号，必须包含能够突破皮肤屏障的器件，通常需要将这样的器件植入或注入体表组织内。

附着于动脉壁的传感器

图15. 附着于动脉壁的传感器正在监测由血流携带着穿过它的GQDs（图片来自文献[9]）

(4) 按集群组织和管理

$\qquad$ 为了满足复杂任务目标和模型要求以及便于管理众多传感器，有时需要将这种网络划分为若干个集群。也就是说，需要将其中的传感器按集群来组织。在每个集群中，信息通过一个协调节点来传输，它最靠近某个集群协调器，直到信息到达一个能够将它们传到身外的纳米路由器/纳米控制器。这尤其适用于所谓的分层拓扑模型，如下图所示。

按集群来组织和管理传感器

图16. 按集群来组织和管理传感器（图片来自文献[6]）

(5) 按体内区域和循环系统组织和管理

$\qquad$ 这种网络中的一些会借助分布在全身的多个纳米路由器来工作，如下图。

这些纳米路由器会被固定在具有优先电活动的区域，例如：内皮细胞、心脏、肺、动脉…
选择这些区域时会尽量避开体内实现中存在的重大物理-生化限制，例如：单跳传输距离、通信广播风暴、器件能量损耗、皮肤-血脑屏障、目标-位置靶向…
每个这样的区域也许会落入或对应某个或某些集群，但是否如此取决于网络架构和具体实现。
理想的思路当然是将纳米路由器部署在靠近具有纳米传感器和纳米天线的区域，以便接收电脉冲信号。

按体内区域来组织和管理传感器

图17. 按体内区域来组织和管理传感器（图片来自文献[6]）

参考文献

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[10] Nishtha Chopra, Mike Phipott, Akram Alomainy, Qammer H. Abbasi, Khalid Qaraqe, and Raed M. Shubair, “THz Time Domain Characterization of Human Skin Tissue for Nano-electromagnetic Communication,” Conference Paper • November 2016. DOI: 10.13140/RG.2.2.25858.89281.

[11] Yuchao Li, Xueqing Bi, Shuangshuang Wang, Yanhu Zhan, Hong-Yuan Liu, Yiu-Wing Mai, Chengzhu Liao, Zhouguang Lu, , and Yaozu Lia, “Core-shell structured polyethylene glycol functionalized graphene for energy-storage polymer dielectrics: Combined mechanical and dielectric performances,” Composites Science and Technology 2020. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2020.108341.

[12] Web site: nanografi.com, “What is the Difference Between Graphene Oxide and Reduced Graphene Oxide”. Available from the web page: https://nanografi.com/blog/what-is-the-difference-between-graphene-oxide-and-reduced-graphene-oxide.

[13] Web site: www.nanowerk.com, “Graphene – All You Need to Know”. Available from the web page: https://www.nanowerk.com/what_is_graphene.php.

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