5. 無線體內納米網：十大“可行嗎？”問題

\qquad 對於體內納米網，我窮追不舍探究了半年之久後才認識到：精英們的技術早已超出了我的想象。對這種網絡之可能，我最初基本持懷疑態度，認為其中許多是科幻的、誇張的，原因在於我當時根據自己具有的科技知識，直觀地覺得實現它存在很多難以逾越的障礙。

\qquad 為此，我將在本文的第II節中列出我當時對於這種網絡抱有的十大“可行嗎？”疑問。它們是第一層次的，最接近於科普和常識的。本文的第III節將給出關於它們的初步認識。為了說明所列出的這些問題並非隨心所欲和不著邊際，本文先在第I節中對無線體內納米傳感器網絡的形成過程以及形成後的作用進行簡單介紹。

\qquad 在進入正文之前，說明以下兩點：

• 第一，本文中的體內納米網特指形成於每個人類個體身體內部的納米網，全稱為無線體內納米傳感器網絡。可以認為形成於不同個體的體內納米網是相互獨立的。

• 第二，盡管體內納米網可以應用於眾多特定領域，比如：醫療健康監測、疾病流行控制、金融交易系統、綜合信息管理、等等，但本文討論體內納米網時，主要關注的是它們的一般性質、組成、以及架構在原理和技術上是否可行。

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I、體內納米網的形成和作用

A. 體內納米網的形成和維持 ^[1]

• 體內納米網是形成和維持於體內組織和循環系統中的網絡。
• 它是通過體外肌肉/靜脈注射、吞咽等方式（以後統稱為注入）使一些特定成分進入體內，經過一段時間後形成的。
• 形成和維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。
• 形成和維持它可能需要受控於來自外部設備的無線電磁信號。
• 它的對象和元素（組件）可以是組裝好再注入的，也可以是注入後等物理-化學-生物、環境條件合適時再自組裝的。
• 它的對象和元素可以按照預先的規劃形成於身體的指定部比特，比特置可以是固定的，也可以是活動的。
• 本文忽略植入芯片到體內作為對象和元素的情况，還忽略以任何其他方式形成和維持體內納米網的情况。

圖1. 以注入方式在體內形成的納米網連接到物聯網的情形（圖片來自文獻[1]）

B. 體內納米網的架構和作用 ^[1],[2],[7]

• 體內納米網由眾多組件以分布的方式構成，組件大小為幾納米到幾十微米之間，能通過脈沖、電磁波、以及電場形式的信號進行相互作用，也能在分子譜系中運行。
• 組件能够執行簡單的任務，如傳感、計算、數據存儲、或驅動。
• 組件之間的通信，即信息傳輸，將在複雜性和操作範圍方面擴展單個組件的能力。
• 體內納米網能够通過（內部的）納米接口連接到物聯網進行雙向的數據交換，還允許外部設備通過納米接口對自己進行編程、更新、或昇級。

圖2. 通過無線納米傳感器網絡(WNSN)為體內應用提供生物/納米物聯網互聯。注意，其中分布於全身的納米傳感器與免疫注入者血液檢測中發現的石墨烯量子點GQD的分布相當一致。（圖片來自文獻[7]）

II、十大“可行嗎？”問題 ^[1]-[12]

\qquad 本節針對上述體內納米網，按照從一般到特殊的順序列出以下關於其原理和技術的 “可行嗎？”問題。

1. 形成和維持：從藥物注入到形成體內納米網的物-化-生物機制是什麼？形成和維持它為什麼（可能）需要多次和/或定期注入？
2. 目標-比特置靶向：如何按照預定的規劃讓一個組件形成於體內的指定部比特？與所謂的目標-比特置靶向和組織-細胞特异性有關聯嗎？
3. 自組裝技術：大至幾十微米的組件能組裝好再注入體內嗎？如果不能，如何用已形成於體內的較小組件組裝它們？組件自組裝的原理和技術？需要外部設備和信號輔助嗎？如何輔助？
4. 能源采集：運轉體內納米網的能源從何而來？如何提供能源以便它持續不斷地運轉？需要外部設備和無線信號幹預嗎？如何幹預？
5. THz波段信號：體內納米網的電磁通信為什麼需要使用THz波段信號？THz信號對人體有害嗎？如何降低損害？
6. 通道介電性能：在一些體內納米網的電磁信號傳輸通道實例中，人們發現均勻分布有大量的石墨烯量子點，它們的作用是什麼？對人體有害嗎？
7. 人體皮膚屏障：THz信號難以突破人體皮膚屏障，那麼體內納米網如何與外部物聯網進行雙向信號通信？如何通過體內納米網的納米接口實現它？
8. 納米計算和納米組件：納米計算的原理和框架？用石墨烯基納米組件如何產生THz信號、實現信號收發器和納米天線？
9. 類時鐘脈沖：如何持續地產生類時鐘脈沖以支持組件工作以及生成THz通信信號？需要外部設備和信號輔助嗎？如何輔助？
10. 分子計算和分子通信：分子計算和分子通信在體內納米網形成和運轉過程中起著什麼作用？

III、關於這些問題的初步認識

\qquad 關於這些“可行嗎？”問題，可以給出以下一般性認識：

1. 解釋和解决這些問題並不存在原理和技術上無法逾越的障礙；
2. 所涉及到的納米、網絡、生物醫學以及它們三比特一體的結合，近20年來獲得了突飛猛進和接近成熟的進步；
3. 對於我所臆想的體內納米網意欲達到的“終極”目標，盡管技術上“可行”，但真正實現尚需時日，估計需要幾代人的獻身。

隨後小節將給出關於每個具體問題的初步回答，其中給出的圖片僅僅作為存在相應技術的佐證。

A. 關於問題1~2 ^[3],[4]

\qquad 在此，將自己目前對問題1~2的一些初步認識歸納如下。

• 問題1屬於藥物代謝動力學研究的範疇。從藥物注入到形成體內納米網的過程基本對應於藥物在機體內的吸收和分布。由於一個完整的體內納米網有可能被設計為分階段形成，並且注入的成分通常會由於代謝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。至於問題中的物-化-生物機制疑問，完全可以認為：體內存在有大量可以用來形成單個納米組件乃至整個納米網絡的此類機制。
• 問題2也歸屬藥物代謝動力學，但專屬其中的給藥系統。納米給藥系統相對較新但發展迅速，它的目標是將納米級材料作為診斷工具輸送到特定靶點，或以受控的方式將藥物輸送到特定靶點。受控方式包括定點和定向，即問題2中所說的目標-比特置靶向，而受控方式的實現當然很大程度與組織-細胞-分子的特异性和選擇性有關。

圖3. 經典納米給藥系統，包括：(A) 脂質體(liposome)，(B) 聚合物膠束(polymeric micelle)，( C ) 納米球(nanosphere)，(D) 納米膠囊(nanocapsule)，(E) O/W納米乳液(O/W nanoemulsion)，(F) W/O米乳液(W/O nanoemulsion)，(G) 納米凝膠(nogel)，以及(H) 無機/有機（核/殼）納米顆粒[inorganic/organic (core/shell) nanoparticle (NP)] （圖片來自文獻[3]）

B. 關於問題3 ^[5]-[9]

\qquad 關於與體內納米網中自組裝技術相關的問題，本人的初步認識是：

• 體內納米網由數百甚至數千個納米組件互連而成，其中的自主和複雜納米器件的尺寸可達幾微米到幾十微米，對於這樣的較大器件，用注入或形成於體內的較小組件來組裝更為合適。
• 如果將個體的身體視為一個獨立系統，多個組件在其內部進行組裝，從原理和技術上看，並不必須依靠外部設備和信號的輔助。它們自行聚集、組織成目標器件的規則或者說演化規律，可以在它們注入體內之前就用輔助工具設計好。因此，從外部看，形成的器件是自組裝的。
• 不過，如果希望從外部對自組裝過程進行控制，自然必須有外部的輔助。另外，為了評判自組裝的不同階段所形成的結構和產物是否符合預期，也需要一些外部輔助。

\qquad 深入描述體內納米網中應用的自組裝技術不是本專欄的目標，也非本人能力所及。針對這項技術，本人想强調的是：到目前為止，納米-分子尺度的組件自組裝技術已經得到了廣泛和成功的應用，尤其是在電子工業和生物醫藥領域，盡管其發展的空間依然很大。

圖4. 自組裝形成的量子細胞自動機單元(QCA cells)中的石墨烯量子點電路(GQD circuit)（圖片來自文獻[9]）

C. 關於問題4 ^[10],[11]

\qquad 對於“運轉體內納米網的能源采集”問題，基本上，采用了兩種解决方案：納米電池和能量采集。對於永久性體內納米網，優選方案當然是第二種，它的目標是將體外環境賦予的和體內生命活動提供的能量采集和儲存下來，供納米器件使用。然而，優化能耗是一個重大挑戰。事實上，在這樣的網絡中，從納米器件收集的數據量很大，且大部分納米器件的能量都消耗在數據包傳輸上，因此高效節能的路由協議在優化能量消耗和提高網絡性能方面發揮著重要作用。

\qquad 有關這一問題的進一步描述可閱讀本專欄帖出的文章“無線納米傳感器網絡和納米物聯網絡：背景、架構、特征”中的“能源供應系統”小節。至於設計和實現能源供應系統的技術細節請參閱更深入討論的文獻。

圖5. 分布於身體周圍和內部的用於收集和交換數據的不同納米傳感器，它們 配備有能够采集EM-能量的納米整流天線。（圖片來自文獻[10]）

D. 關於問題5~7 ^[5]

\qquad 關於問題5~7中的大部分疑問，在本專欄此前貼出的文章“無線體內納米網：電磁傳播模型和傳感器部署要點”中都予以了回答，當然有些回答是概括性的，例如：關於“如何通過體內納米網的納米接口突破人體皮膚屏障？”。這些問題中的有些疑問涉及信號和材料對於人體的傷害，這篇文章也有所觸及，但都是蜻蜓點水的。真正對此有興趣的朋友，一定會通過自己的進一步探索來獲得所需的答案。

圖6. 當電磁波在含有1%水蒸氣分子的標准介質中傳播時，作為頻率和距離函數的總路徑損耗(dB)（圖片來自文獻[5]）

E. 關於問題8~9 ^[1],[6],[9]

\qquad 問題8~9中的疑問涉及納米計算、納米組件、以及類時鐘脈沖生成。描述不清它們就無法令人信服地認可納米組件以及由它們所構建的體內納米網的能力。在此順便一提，其中一些問題從探索初期就困擾著我，例如：如何產生提供給體內納米組件的時鐘脈沖？需要外界輔助嗎？另外，這些問題是相關聯的，適合放在一起討論。不過，盡管資料和文獻很多，但獲得它們的簡明歸納和清楚描述並不容易，希望本人有能力和時間在今後完成它，目標當然仍然只是為了解惑。

圖7. 一個具有通信能力的納米傳感器（圖片來自文獻[11]）

F. 關於問題10 ^[1],[6],[12]

\qquad 關於分子計算和分子通信在體內納米網形成和運轉過程中的作用，本人的基本認識是它們在任何類型的體內納米網應用實例中都起著普遍的和重要的作用。下面舉幾個例子：

• 可以應用DNA-自組裝技術（一種分子計算技術）形成納米組件；
• 可以利用體內組織-細胞特异性將一些組件運輸到特定目標以及進行自組裝；
• 可以設計分子馬達和生物傳感器進行分子通信或運輸藥物和組件到特定比特置；
• 可以用碳納米管傳輸由周圍腦組織分子活動觸發的電信號，來實時獲得個體大腦活動的圖像；
• 可以用注入體內循環系統的石墨烯量子點吸附和運輸蛋白質，當它從一個生物傳感器附近通過時，會產生一個電比特差，從而產生一個可以得到解釋的信號。

希望本人今後能對其中有些方面做進一步探索。

圖8. 分子馬達沿著細胞骨架運動，遠離胞體，向樹突末端運動。然而，由於它們的隨機行為，它們也可以朝相反方向運動。分子通信被用於將分子馬達在細胞骨架上的傳播抽象為一個通信網絡。（圖片來自文獻[12]）

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參考文獻

[1] Turing_321，“無線體內納米網：圖文概述”, https://blog.csdn.net/turing321_huaide/article/details/124704147?spm=1001.2014.3001.5501.

[2] Turing_321，“無線身域網：架構和通信”, 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, “藥物是如何被人體吸收的？”. Available from the web page: http://www.qm120.com/tags/121073.htm.

[5] Turing_321，“無線體內納米網：電磁傳播模型和傳感器部署要點”, 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，“無線納米傳感器網絡和納米物聯網絡：背景、架構、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.