5. 无线体内纳米网：十大“可行吗？”问题

\qquad 对于体内纳米网，我穷追不舍探究了半年之久后才认识到：精英们的技术早已超出了我的想象。对这种网络之可能，我最初基本持怀疑态度，认为其中许多是科幻的、夸张的，原因在于我当时根据自己具有的科技知识，直观地觉得实现它存在很多难以逾越的障碍。

\qquad 为此，我将在本文的第II节中列出我当时对于这种网络抱有的十大“可行吗？”疑问。它们是第一层次的，最接近于科普和常识的。本文的第III节将给出关于它们的初步认识。为了说明所列出的这些问题并非随心所欲和不着边际，本文先在第I节中对无线体内纳米传感器网络的形成过程以及形成后的作用进行简单介绍。

\qquad 在进入正文之前，说明以下两点：

• 第一，本文中的体内纳米网特指形成于每个人类个体身体内部的纳米网，全称为无线体内纳米传感器网络。可以认为形成于不同个体的体内纳米网是相互独立的。

• 第二，尽管体内纳米网可以应用于众多特定领域，比如：医疗健康监测、疾病流行控制、金融交易系统、综合信息管理、等等，但本文讨论体内纳米网时，主要关注的是它们的一般性质、组成、以及架构在原理和技术上是否可行。

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I、体内纳米网的形成和作用

A. 体内纳米网的形成和维持 ^[1]

• 体内纳米网是形成和维持于体内组织和循环系统中的网络。
• 它是通过体外肌肉/静脉注射、吞咽等方式（以后统称为注入）使一些特定成分进入体内，经过一段时间后形成的。
• 形成和维持它可能需要多次注入或定期注入，每次注入的成分也可能不同。
• 形成和维持它可能需要受控于来自外部设备的无线电磁信号。
• 它的对象和元素（组件）可以是组装好再注入的，也可以是注入后等物理-化学-生物、环境条件合适时再自组装的。
• 它的对象和元素可以按照预先的规划形成于身体的指定部位，位置可以是固定的，也可以是活动的。
• 本文忽略植入芯片到体内作为对象和元素的情况，还忽略以任何其他方式形成和维持体内纳米网的情况。

图1. 以注入方式在体内形成的纳米网连接到物联网的情形（图片来自文献[1]）

B. 体内纳米网的架构和作用 ^[1],[2],[7]

• 体内纳米网由众多组件以分布的方式构成，组件大小为几纳米到几十微米之间，能通过脉冲、电磁波、以及电场形式的信号进行相互作用，也能在分子谱系中运行。
• 组件能够执行简单的任务，如传感、计算、数据存储、或驱动。
• 组件之间的通信，即信息传输，将在复杂性和操作范围方面扩展单个组件的能力。
• 体内纳米网能够通过（内部的）纳米接口连接到物联网进行双向的数据交换，还允许外部设备通过纳米接口对自己进行编程、更新、或升级。

图2. 通过无线纳米传感器网络(WNSN)为体内应用提供生物/纳米物联网互联。注意，其中分布于全身的纳米传感器与免疫注入者血液检测中发现的石墨烯量子点GQD的分布相当一致。（图片来自文献[7]）

II、十大“可行吗？”问题 ^[1]-[12]

\qquad 本节针对上述体内纳米网，按照从一般到特殊的顺序列出以下关于其原理和技术的 “可行吗？”问题。

1. 形成和维持：从药物注入到形成体内纳米网的物-化-生物机制是什么？形成和维持它为什么（可能）需要多次和/或定期注入？
2. 目标-位置靶向：如何按照预定的规划让一个组件形成于体内的指定部位？与所谓的目标-位置靶向和组织-细胞特异性有关联吗？
3. 自组装技术：大至几十微米的组件能组装好再注入体内吗？如果不能，如何用已形成于体内的较小组件组装它们？组件自组装的原理和技术？需要外部设备和信号辅助吗？如何辅助？
4. 能源采集：运转体内纳米网的能源从何而来？如何提供能源以便它持续不断地运转？需要外部设备和无线信号干预吗？如何干预？
5. THz波段信号：体内纳米网的电磁通信为什么需要使用THz波段信号？THz信号对人体有害吗？如何降低损害？
6. 通道介电性能：在一些体内纳米网的电磁信号传输通道实例中，人们发现均匀分布有大量的石墨烯量子点，它们的作用是什么？对人体有害吗？
7. 人体皮肤屏障：THz信号难以突破人体皮肤屏障，那么体内纳米网如何与外部物联网进行双向信号通信？如何通过体内纳米网的纳米接口实现它？
8. 纳米计算和纳米组件：纳米计算的原理和框架？用石墨烯基纳米组件如何产生THz信号、实现信号收发器和纳米天线？
9. 类时钟脉冲：如何持续地产生类时钟脉冲以支持组件工作以及生成THz通信信号？需要外部设备和信号辅助吗？如何辅助？
10. 分子计算和分子通信：分子计算和分子通信在体内纳米网形成和运转过程中起着什么作用？

III、关于这些问题的初步认识

\qquad 关于这些“可行吗？”问题，可以给出以下一般性认识：

1. 解释和解决这些问题并不存在原理和技术上无法逾越的障碍；
2. 所涉及到的纳米、网络、生物医学以及它们三位一体的结合，近20年来获得了突飞猛进和接近成熟的进步；
3. 对于我所臆想的体内纳米网意欲达到的“终极”目标，尽管技术上“可行”，但真正实现尚需时日，估计需要几代人的献身。

随后小节将给出关于每个具体问题的初步回答，其中给出的图片仅仅作为存在相应技术的佐证。

A. 关于问题1~2 ^[3],[4]

\qquad 在此，将自己目前对问题1~2的一些初步认识归纳如下。

• 问题1属于药物代谢动力学研究的范畴。从药物注入到形成体内纳米网的过程基本对应于药物在机体内的吸收和分布。由于一个完整的体内纳米网有可能被设计为分阶段形成，并且注入的成分通常会由于代谢和排泄而被部分或全部消除，因此多次和/或定期注入是必然的。至于问题中的物-化-生物机制疑问，完全可以认为：体内存在有大量可以用来形成单个纳米组件乃至整个纳米网络的此类机制。
• 问题2也归属药物代谢动力学，但专属其中的给药系统。纳米给药系统相对较新但发展迅速，它的目标是将纳米级材料作为诊断工具输送到特定靶点，或以受控的方式将药物输送到特定靶点。受控方式包括定点和定向，即问题2中所说的目标-位置靶向，而受控方式的实现当然很大程度与组织-细胞-分子的特异性和选择性有关。

图3. 经典纳米给药系统，包括：(A) 脂质体(liposome)，(B) 聚合物胶束(polymeric micelle)，( C ) 纳米球(nanosphere)，(D) 纳米胶囊(nanocapsule)，(E) O/W纳米乳液(O/W nanoemulsion)，(F) W/O米乳液(W/O nanoemulsion)，(G) 纳米凝胶(nogel)，以及(H) 无机/有机（核/壳）纳米颗粒[inorganic/organic (core/shell) nanoparticle (NP)] （图片来自文献[3]）

B. 关于问题3 ^[5]-[9]

\qquad 关于与体内纳米网中自组装技术相关的问题，本人的初步认识是：

• 体内纳米网由数百甚至数千个纳米组件互连而成，其中的自主和复杂纳米器件的尺寸可达几微米到几十微米，对于这样的较大器件，用注入或形成于体内的较小组件来组装更为合适。
• 如果将个体的身体视为一个独立系统，多个组件在其内部进行组装，从原理和技术上看，并不必须依靠外部设备和信号的辅助。它们自行聚集、组织成目标器件的规则或者说演化规律，可以在它们注入体内之前就用辅助工具设计好。因此，从外部看，形成的器件是自组装的。
• 不过，如果希望从外部对自组装过程进行控制，自然必须有外部的辅助。另外，为了评判自组装的不同阶段所形成的结构和产物是否符合预期，也需要一些外部辅助。

\qquad 深入描述体内纳米网中应用的自组装技术不是本专栏的目标，也非本人能力所及。针对这项技术，本人想强调的是：到目前为止，纳米-分子尺度的组件自组装技术已经得到了广泛和成功的应用，尤其是在电子工业和生物医药领域，尽管其发展的空间依然很大。

图4. 自组装形成的量子细胞自动机单元(QCA cells)中的石墨烯量子点电路(GQD circuit)（图片来自文献[9]）

C. 关于问题4 ^[10],[11]

\qquad 对于“运转体内纳米网的能源采集”问题，基本上，采用了两种解决方案：纳米电池和能量采集。对于永久性体内纳米网，优选方案当然是第二种，它的目标是将体外环境赋予的和体内生命活动提供的能量采集和储存下来，供纳米器件使用。然而，优化能耗是一个重大挑战。事实上，在这样的网络中，从纳米器件收集的数据量很大，且大部分纳米器件的能量都消耗在数据包传输上，因此高效节能的路由协议在优化能量消耗和提高网络性能方面发挥着重要作用。

\qquad 有关这一问题的进一步描述可阅读本专栏帖出的文章“无线纳米传感器网络和纳米物联网络：背景、架构、特征”中的“能源供应系统”小节。至于设计和实现能源供应系统的技术细节请参阅更深入讨论的文献。

图5. 分布于身体周围和内部的用于收集和交换数据的不同纳米传感器，它们 配备有能够采集EM-能量的纳米整流天线。（图片来自文献[10]）

D. 关于问题5~7 ^[5]

\qquad 关于问题5~7中的大部分疑问，在本专栏此前贴出的文章“无线体内纳米网：电磁传播模型和传感器部署要点”中都予以了回答，当然有些回答是概括性的，例如：关于“如何通过体内纳米网的纳米接口突破人体皮肤屏障？”。这些问题中的有些疑问涉及信号和材料对于人体的伤害，这篇文章也有所触及，但都是蜻蜓点水的。真正对此有兴趣的朋友，一定会通过自己的进一步探索来获得所需的答案。

图6. 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)（图片来自文献[5]）

E. 关于问题8~9 ^[1],[6],[9]

\qquad 问题8~9中的疑问涉及纳米计算、纳米组件、以及类时钟脉冲生成。描述不清它们就无法令人信服地认可纳米组件以及由它们所构建的体内纳米网的能力。在此顺便一提，其中一些问题从探索初期就困扰着我，例如：如何产生提供给体内纳米组件的时钟脉冲？需要外界辅助吗？另外，这些问题是相关联的，适合放在一起讨论。不过，尽管资料和文献很多，但获得它们的简明归纳和清楚描述并不容易，希望本人有能力和时间在今后完成它，目标当然仍然只是为了解惑。

图7. 一个具有通信能力的纳米传感器（图片来自文献[11]）

F. 关于问题10 ^[1],[6],[12]

\qquad 关于分子计算和分子通信在体内纳米网形成和运转过程中的作用，本人的基本认识是它们在任何类型的体内纳米网应用实例中都起着普遍的和重要的作用。下面举几个例子：

• 可以应用DNA-自组装技术（一种分子计算技术）形成纳米组件；
• 可以利用体内组织-细胞特异性将一些组件运输到特定目标以及进行自组装；
• 可以设计分子马达和生物传感器进行分子通信或运输药物和组件到特定位置；
• 可以用碳纳米管传输由周围脑组织分子活动触发的电信号，来实时获得个体大脑活动的图像；
• 可以用注入体内循环系统的石墨烯量子点吸附和运输蛋白质，当它从一个生物传感器附近通过时，会产生一个电位差，从而产生一个可以得到解释的信号。

希望本人今后能对其中有些方面做进一步探索。

图8. 分子马达沿着细胞骨架运动，远离胞体，向树突末端运动。然而，由于它们的随机行为，它们也可以朝相反方向运动。分子通信被用于将分子马达在细胞骨架上的传播抽象为一个通信网络。（图片来自文献[12]）

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参考文献

[1] Turing_321，“无线体内纳米网：图文概述”, https://blog.csdn.net/turing321_huaide/article/details/124704147?spm=1001.2014.3001.5501.

[2] Turing_321，“无线身域网：架构和通信”, https://blog.csdn.net/turing321_huaide/article/details/124645964?spm=1001.2014.3001.5501.

[3] Tingting Wang , Di Zhang, Dong Sun, Jingkai Gu., “Current status of in vivo bioanalysis of nano drug delivery systems,” in Journal of Pharmaceutical Analysis 10 (2020) 221e232.

[4] 金有豫, “药物是如何被人体吸收的？”. Available from the web page: http://www.qm120.com/tags/121073.htm.

[5] Turing_321，“无线体内纳米网：电磁传播模型和传感器部署要点”, https://blog.csdn.net/turing321_huaide/article/details/125130163?spm=1001.2014.3001.5501.

[6] Elaine Ann Ebreo Cara,etc., “1. AN INTRODUCTION TO NANOCOMPUTING,” in Bio-inspired and nanoscale integrated computin, Published by John Wiley & Sons, Inc., 2009.

[7] Mik Andersen, “Redes de nanocomunicación inalámbrica para nanotecnología en el cuerpo humano”, 2021. Available from the web page: https://corona2inspect.net/2021/09/21/redes-de-nanocomunicacion-inalambrica-para-nanotecnologia-en-el-cuerpo-humano/.

[8] Mik Andersen, “Identification of Patterns in Coronavirus Vaccines: Evidence of DNA-Origami Self-Assembly”, 2022. Available from the web page: http://truthcomestolight.com/identification-of-patterns-in-coronavirus-vaccines-evidence-of-dna-origami-self-assembly/.

[9] Mik Andersen, “Graphene Oxide & Nano-Router Circuitry …”, 2021. Available from the web page: https://truthcomestolight.com/graphene-oxide-nano-router-circuitry-in-covid-vaccines-uncovering-the-true-purpose-of-these-mandatory-toxic-injections/
Pattern Identification in Coronavirus Vaccines: Nanorouters.

[10] Turing_321，“无线纳米传感器网络和纳米物联网络：背景、架构、特征”, https://blog.csdn.net/turing321_huaide/article/details/124611435?spm=1001.2014.3001.5501.

[11] Zhichao Rong, etc., “Nano-rectenna powered body-centric nano-networks in the terahertz band,” in Healthcare Technology Letters. 2018.

[12] Ian F. Akyildiz, “Propagation Modeling and Analysis of Molecular Motors in Molecular Communication,” in Molecular Communication. IEEE. 2016.