CN108785846B - 一种移动分子通信中基于浓度梯度的目标导向方法 - Google Patents

一种移动分子通信中基于浓度梯度的目标导向方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种移动分子通信中基于浓度梯度的目标导向方法。在移动分子通信场景下，目标物持续释放某种引诱物，纳米机通过浓度传感器实时收集介质中的引诱物浓度，并计算浓度差值；其次根据浓度差值判断介质的浓度梯度，然后纳米机朝浓度高的方向移动，最终移动到目标区域。本发明通过将生物学中细菌的趋化效应原理引入到移动分子通信当中，克服了分子通信中因随机扩散导致的延迟问题，有效缩短了纳米机移动到目标的时间，提高了通信效率；本发明普遍适用于基于扩散方式的移动分子通信中具有引诱物的场景，可广泛应用于医疗中的定向药物投递、靶向治疗等。

Description

一种移动分子通信中基于浓度梯度的目标导向方法
技术领域
本发明属于移动分子通信领域，具体涉及移动分子通信过程中，纳米机根据周围介质中引诱物的浓度，定向朝目标移动的快速导向算法。
背景技术
分子通信是近年来新兴的交叉学科的技术，涉及生物学、医学、通信等多个领域。分子通信以纳米尺度的分子作为信息载体，在生物体内完成细胞间信息传递。在分子通信中最常见的是基于扩散的通信方式，即分子通过自由扩散方式，最终到达目的地，完成通信过程。人工纳米机可以看作是人造的纳米尺度生物细胞，是实现分子通信的重要手段。移动分子通信可以通过可移动的人工纳米机来实现更加复杂的通信过程，比如通过携带药物的纳米机移动到病变部位，实现高效的药物投递。基于自由扩散的分子通信的一个缺点是由于分子的随机扩散，造成分子投递信息的盲目性，带来很大的通信延迟，通信效率很低。在医学领域，可以采用分子通信技术完成药物投递、靶向治疗等应用，有效提高治疗效果。
发明内容
本发明针对药物投递、靶向治疗的应用需求，提出了一种移动分子通信中的基于浓度梯度的目标导向方法；本发明的方法可有效帮助纳米机根据引诱物浓度，快速移动到目标区域，完成分子定向通信过程。
本发明采用的技术方案是：纳米机通过浓度传感器周期性采集介质中目标物所释放的引诱物的浓度值，然后纳米机朝着浓度高的方向移动，最终纳米机到达浓度最高的目标区域。
进一步地，具体包括以下步骤：
S1、初始化参数；包括设置前一浓度值与当前浓度值为零；
S2、纳米机通过浓度传感器对介质中引诱物浓度值进行采样，并将采样值赋值给当前浓度；
S3、判断当前采样值与门限值的绝对差值是否小于或等于预期值，若是则结束，否则执行步骤S4；
S4、计算当前浓度值与前一浓度值之间的差值，若该差值大于0，则执行步骤S5；否则执行步骤S6；
S5、纳米机继续沿当前方向移动，并将当前浓度值赋值给前一浓度值，然后执行步骤S2；
S6、纳米机随机移动，并将当前浓度值赋值给前一浓度值，然后执行步骤S2。
进一步地，所述目标物能持续释放某种引诱物，该引诱物会以扩散的方式在周围介质中形成浓度梯度场。
进一步地，步骤S3所述门限值设置为目标区域引诱物的浓度。
进一步的，所述步骤S1还包括：Tmove、Tstay的初始化；Tmove表示纳米机移动的时间长度，Tstay表示纳米机静止的时间长度。
更进一步地，步骤S5具体为：纳米机沿当前方向移动Tmove秒，然后停留Tstay秒后，将当前浓度值赋给前一浓度值，然后执行S2。
更进一步的，步骤S6具体为：纳米机随机移动Tmove秒，然后停留Tstay秒后，将当前浓度值赋给前一浓度值，然后执行S2。
本发明的有益效果：本发明利用生物细菌的趋化原理，目标物能持续释放某种引诱物，该引诱物会以扩散的方式在周围介质中形成浓度梯度场；本发明通过实时检测介质中引诱物的浓度，判断引诱物浓度梯度，从而引导纳米机快速朝目标区域移动，实现定向通信的效果；避免了因随机扩散而造成的延迟问题；本发明的方法适用于纳米机的设计与控制，或应用于宏观上模拟分子通信过程的仿真系统。
附图说明
图1为本发明提供的方法流程图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
本发明的技术方案为：目标物持续释放某种引诱物，人工纳米机通过传感器所检测的引诱物浓度，计算浓度差值，来判断浓度梯度，然后引导纳米机朝浓度高的方向移动，最终快速到达目标区域，从而达到定向通信的效果。这里的目标区域是指距离目标物较近的一个区域范围，通常是以目标物为圆心的圆形区域，具体的区域大小取决于实际的应用需求。通常区域半径为0.1～5cm，取值越小，精度越高，说明纳米机距离目标物的距离越近。本发明克服了基于扩散的分子通信中因分子的随机扩散而带来的通信延迟问题，可以有效提高通信效率。
如图1所示为本发明的方案流程图，具体包括以下步骤：
S1、初始化参数；具体为：将前一浓度值、当前浓度值等参数设置为零；还包括Tmove、Tstay等其它参数的初始化。Tmove表示纳米机移动的时间长度，Tstay表示纳米机静止的时间长度。二者取值均在1秒～30秒之间。Tstay的设置是为了更准确获取引诱物浓度，以避免因移动过快造成浓度采样不准确。
所述目标物应能持续释放某种引诱物，该引诱物会以扩散的方式在周围介质中形成浓度梯度场。目标物所在位置为纳米机的移动目的地，目标物可能是人体内的肿瘤细胞或其它病变部位；目标物的具体内容和如何释放引诱物不属于本发明的说明范畴。
S2、纳米机中的传感器对介质中引诱物浓度值进行采样，并将采样值赋给当前浓度值。该采样过程是在纳米机静止期间完成的，因此可以代表该位置点的即时浓度。
S3、判断当前采样值与门限值的绝对差值是否小于等于预期值，若是则结束；否则将执行步骤S4。此处的门限值为目标区域引诱物的浓度，预期值表示接近目标物的程度，该值越小说明纳米机越靠近目标物。差值若大于预期值，说明纳米机还未到达目标区域，则需要继续移动。
S4、计算当前浓度值与前一浓度值之间的差值。具体操作为用当前浓度值减去前一浓度值。
S5、判断做差运算结果是否大于0，如是，则纳米机沿当前方向移动Tmove秒，然后停留Tstay秒。差值大于等于0，说明纳米机当前位置点比前一位置点处的引诱物浓度要高，因此纳米机是朝着浓度高的方向移动，可以沿此方向继续移动。Tmove为纳米机移动时间，该值大小取决于纳米机的移动速度，通常移动速度越快，移动时间越小。Tstay为纳米机静止持续时间。Tmove与Tstay的取值均在几秒～几十秒之间。移动之后，需将原当前浓度值赋给前一浓度值，再去执行S2，以采集新的浓度值作为当前浓度值。
S6、若做差结果小于或等于0，则纳米机随机移动Tmove秒，然后停留Tstay秒。Tmove与Tstay的取值与上一步相同。同样地，移动之后，需将原当前浓度值赋给前一浓度值，再去执行S2，以采集新的浓度值作为当前浓度值。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种移动分子通信纳米机，其特征在于，所述纳米机包括浓度传感器，所述浓度传感器周期性采集介质中目标物所释放的引诱物的浓度值，所述纳米机根据浓度传感器采集的引诱物的浓度值朝着浓度高的方向移动，最终纳米机到达目标区域；
所述纳米机根据浓度传感器采集的引诱物的浓度值朝着浓度高的方向移动，具体实现过程为：
S1、初始化参数；包括设置前一浓度值与当前浓度值为零；
S2、纳米机通过浓度传感器对介质中引诱物浓度值进行采样，并将采样值赋值给当前浓度；
S3、判断当前采样值与门限值的绝对差值是否小于或等于预期值，若是则结束，否则执行步骤S4；
S4、计算当前浓度值与前一浓度值之间的差值，若该差值大于0，则执行步骤S5；否则执行步骤S6；
S5、纳米机继续沿当前方向移动，并将当前浓度值赋值给前一浓度值，然后执行步骤S2；
S6、纳米机随机移动，并将当前浓度值赋值给前一浓度值，然后执行步骤S2。
2.根据权利要求1所述的一种移动分子通信纳米机，其特征在于，所述目标物能持续释放某种引诱物，且该引诱物以扩散的方式在周围介质中形成浓度梯度场。
3.根据权利要求1所述的一种移动分子通信纳米机，其特征在于，步骤S3所述门限值设置为目标区域引诱物的浓度。
4.根据权利要求1所述的一种移动分子通信纳米机，其特征在于，所述步骤S1还包括：Tmove、Tstay的初始化；Tmove表示纳米机移动的时间长度，Tstay表示纳米机静止的时间长度。
5.根据权利要求4所述的一种移动分子通信纳米机，其特征在于，步骤S5具体为：纳米机沿当前方向移动Tmove秒，然后停留Tstay秒后，将当前浓度值赋给前一浓度值，然后执行S2。
6.根据权利要求4所述的一种移动分子通信纳米机，其特征在于，步骤S6具体为：纳米机随机移动Tmove秒，然后停留Tstay秒后，将当前浓度值赋给前一浓度值，然后执行S2。
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