Trong bài viết trước, chúng ta đã thảo luận về các loại truyền thông quang sử dụng đèn LED truyền dữ liệu, gọi là "Light Fidelity". Bài này sẽ giới thiệu một công nghệ mới trong lĩnh vực truyền thông: Truyền thông phân tử.
Cho đến nay, các phương thức truyền thông dùng sóng điện từ, sóng âm, dây đồng, cáp quang và các linh kiện khác. Tuy nhiên, còn một hình thức truyền thông mà ít người biết: truyền thông trong hệ thống sinh học. Tất cả hệ thống sinh học đều là mạng lưới các yếu tố liên lạc ở mọi cấp độ: phân tử, tế bào, mô, sinh vật, quần thể, vi sinh vật hệ, hệ sinh thái, v.v.
Kiến thức về phương thức truyền thông này của hệ thống sinh học đã trở thành cơ sở cho việc phát minh ra công nghệ truyền thông phân tử mới.
Đọc thêm: 21 Công nghệ lớn trong thập kỷ tới – Phần 1
Truyền thông phân tử là gì?
Truyền thông phân tử là chiến lược thiết kế mạng nano nhằm thiết kế và kiểm soát các hệ thống truyền thông quy mô nano. Đây là cơ chế truyền thông giữa các nanomáy trên khoảng cách ngắn (chục micromét), sử dụng sự hiện diện hoặc vắng mặt của một loại phân tử được chọn để mã hóa thông điệp số.
Truyền thông phân tử hữu ích cho truyền thông trong mạng đường hầm, ống dẫn hoặc môi trường dưới nước khó dự đoán. Truyền thông điện từ gặp khó khăn trong các môi trường này do ràng buộc như tỷ lệ kích thước anten so với bước sóng tín hiệu điện từ.
Truyền thông phân tử thực hiện bằng cách truyền thông tin qua phân tử đến đích xác định. Công nghệ này có ưu thế trong mọi cơ chế ở cấp độ tế bào và dưới tế bào đã sử dụng sự phát xạ phân tử để truyền thông.
Nguyên lý hoạt động cơ bản
Mạng nano là sự liên kết của các nanomáy. Nanomáy là thiết bị hoặc thành phần nano quy mô sinh học hoặc nhân tạo, có khả năng thực hiện các tác vụ đơn giản như tính toán, cảm biến, hoặc điều khiển trong môi trường lân cận. Chúng giống như các khối xây dựng hợp tác để thực hiện các tác vụ phức tạp hơn và chia sẻ thông tin cục bộ. Nanomáy có thể chia thành hai loại:
- Nanomáy sinh học
- Nanomáy nhân tạo
Hệ thống truyền thông phân tử bao gồm: nanomáy gửi, nanomáy nhận, phân tử vận chuyển, phân tử thông tin và môi trường hoạt động. Bộ gửi và nhận là các nanomáy sinh học/nhân tạo có khả năng phát xạ và thu nạp phân tử thông tin. Dữ liệu di chuyển từ bộ gửi đến bộ nhận nhờ các chất mang. Chất mang trong hệ thống này là động cơ phân tử, hormone hoặc chất truyền thần kinh. Vì hoạt động trong hệ thống sinh học, thông tin được vận chuyển là protein, ion hoặc DNA. Môi trường là dung dịch nước tồn tại trong và giữa các tế bào.
5 giai đoạn trong hoạt động của truyền thông phân tử:
- Mã hóa (Encoding) – Giai đoạn mà nanomáy gửi mã hóa thông tin vào phân tử thông tin được nanomáy nhận phát hiện.
- Gửi (Sending) – Giai đoạn nanomáy gửi phát xạ các phân tử thông tin ra môi trường bằng cách tách chúng ra khỏi nanomáy gửi.
- Lan truyền (Propagation) – Giai đoạn thông tin di chuyển từ nguồn đến đích. Tương tự các công nghệ truyền thông khác, phân tử thông tin di chuyển từ nanomáy gửi qua môi trường đến nanomáy nhận.
- Nhận (Receiving) – Giai đoạn nanomáy nhận bắt获 các phân tử thông tin lan truyền trong môi trường.
- Giải mã (Decoding) – Giai đoạn quan trọng nhất. Nanomáy nhận bắt获 phân tử thông tin, giải mã chúng thành phản ứng hóa học.
Ứng dụng
Đây là khái niệm hoàn toàn mới, tiềm năng cho nhiều ứng dụng trong công nghệ nano sinh học. Một số ứng dụng tương lai có thể:
- Công nghệ thông tin – Tích hợp nanomáy sinh học vào hệ thống điện tử silic để truyền thông. Ví dụ: điện thoại tương lai có nanomáy sinh học phân tích tín hiệu sinh hóa từ máu, mồ hôi.
- Hệ thống vận chuyển thuốc – Ứng dụng đầy hứa hẹn nhất trong y tế. Truyền thông phân tử có thể cung cấp chất mang thuốc và cơ chế truyền thuốc thân thiện với hệ thống sinh học. Nanomáy gửi cấy ghép trong cơ thể phát xạ thuốc hoặc DNA.
- Hệ thống vi điện hóa học – Phát triển hệ thống quy mô nhỏ như Lab-on-a-chip. Công nghệ mới nổi tích hợp phân tích và tổng hợp sinh hóa như phân tích tế bào, chẩn đoán máu trên một chip nhỏ. Cung cấp chức năng thao tác phân tử: vận chuyển đến vị trí cụ thể, trộn hai loại phân tử, tách loại phân tử đặc định từ hỗn hợp.
- Môi trường và sản xuất – Dù chưa có hệ thống thử nghiệm, các nhà khoa học dự định dùng công nghệ này giám sát môi trường: kiểm soát rác thải, ô nhiễm, biến đổi khí hậu. Thử nghiệm ứng dụng trong sản xuất để hình thành mẫu và cấu trúc.
Công nghệ này là mô hình hoàn toàn mới trong lĩnh vực truyền thông. Nghiên cứu đang tiến hành để khai thác ứng dụng tích cực trong các lĩnh vực. Y tế chắc chắn sẽ được hưởng lợi vì nó vừa sinh học vừa nano. Vì công nghệ nano là một phần không tách rời của tương lai và truyền thông phân tử là về giao tiếp giữa nanomáy, tôi tin nó sẽ sớm phát triển mạnh và chúng ta sẽ thấy các hệ thống sử dụng nó.