Game theoretic and bio-inspired communication techniques for internet of bio-nano things

Abstract

Nanonetworks, a group of communicating nanomachines cooperating with each other to complete complex tasks, are envisioned to revolutionize many sectors and our lives. Developed parallel to the Internet of Things vision, the Internet of Bio-Nano Things is an emerging communication paradigm that aims to extend Internet connectivity to the organs, tissues, cells, or even subcellular parts of living organisms. Large groups of bio-compatible nanomachines connected to each other, interfacing with other nano-entities in living tissues and the Internet, may be performing a variety of applications, ranging from intrabody surveillance to targeted drug delivery. However, their size makes assuring reliable and resilient communications among these nanomachines a unique challenge. The size of these nano-nodes prohibits them from having large batteries. Even if they are equipment with energy harvesting hardware, their size limits the amount of power they can extract from the available ambient energy. As a result of their size and a result of their constant energy deficiency, these nano-nodes cannot have complex circuitry. This thesis addresses the particular challenges that IoBNT vision faces. It demonstrates Game Theory as a tool to solve resource allocation and medium access control issues without complex protocols. Using an Information Theoretic approach, a new transmission scheme that considers the simple circuitry requirement of the nano-nodes is suggested. Another scope of this thesis is to investigate intrabody communications. Assuming the human nervous system as a complex IoBNT network, a refined model for axonal communications is developed. The suggested model extends the cable model to the paranodal regions. Following the COVID-19 pandemic, it also included a model to investigate the propagation of the SARS-CoV2 virus within the human respiratory tract. The model assumes that the respiratory tract is formed by cascaded cylinders of different properties, on whose surfaces the virus binds and propagates. The proposed model captures the general characteristics of the SARS-CoV2 infection.

Nanoağlar birbirleriyle iletişim halindeki nanomakinelerden oluşur. Nanomakinelerin birlikte ¸calışarak karmaşık görevleri gerçekleştirebilmesi, sağlık bilimleri başta olmak üzere çok disiplin için devrim niteliğinde olacaktır. Nesnelerin İnterneti'ne paralel olarak gelişen Biyo-Nano Nesnelerin İnterneti (IoBNT), internet bağlantısını organlara, dokulara, hücrelere ve hatta hücrealtı kısımlara ulaştırmak gibi iddialı bir hedefe sahiptir. Biyouyumlu nanomakineler birbirlerine bağlı büyük gruplar halinde canlı dokulardaki diğer nano nesnelerle etkileşime geçerek vücut içi sağlık takibinden, hedefli ilaç taşıyıcı sistemlere kadar pek çok görevi yerine getirebilirler. Fakat, nanomakinelerin boyutlarının küçüklüğü, kendi aralarında güvenilir ve dirençli bir haberleşme sağlanması konusunda IoBNT'ye özgü bir zorluk yaratır. Öncelikli olarak nanomakinelerin boyutu yüksek kapasiteli bataryalara sahip olmalarını engeller. Enerji toplayıcı donanımlara sahip olsalar dahi, boyutları onların ortamdan yüksek miktarda güç çekebilmelerine izin vermemektedir. Dolayısıyla hem boyut hem de sürekli enerji sıkıntısı, nanomakinelerin karmaşık devrelere sahip olmalarına bir engel oluşturur. Bu tez Biyo-Nano Nesnelerin İnterneti'ne özgü sorunları ele alarak, Oyun Teorisinin kaynakların dağılımı ve ortam erişim kontrolü gibi karmaşık sorunların çözümünde kullanılabileceğini göstermektedir. Bu tez ayrıca Bilgi Teorisi tabanlı bir yaklaşımla, nanomakinelerin basit devrelere sahip olma zorunluluğunu dikkate alan yeni bir iletim stratejisi de önermektedir. Bu tezin bir başka amacı da vücut içi iletişimi incelemektir. Bu tez, insan sinir sistemini Biyo Nano Nesnelerin İnterneti'ne bağlı karmaşık bir ağ olarak ele alarak aksonların haberleşmesine yeni ve daha gerçekçi bir model getirmektedir. Geliştirilen bu yeni model kablo modelini aksonların paranodal bölgelerini de içerecek şekilde genişletmektedir. Bu modele ek olarak bu tezde, Covid-19 Pandemisi'ni takiben, SARS-CoV2 virüsünün insan solunum sistemindeki ilerleyişi de modellenmektedir. Bu model, solunum sistemini birbirine ekli ve değişik özelliklere sahip silindirlerle modellemektedir. Bu modele göre, virüs, bu silindirlerin yüzeyinde hareket edip, ilgili reseptörlere bağlanmaktadır. Önerilen model SARS-CoV2 enfeksiyonunun genel karakteristiğini yakalamaktadır.