Molecular Communications - Cheatsheet

Definition und Konzepte der molekularen Kommunikation

Definition:

Molekulare Kommunikation: Übertragung von Informationen über molekulare Signale.

Details:

• Besteht aus Sender, Empfänger, Nachrichtenmolekül und Medium.
• Sender erzeugt und sendet Molekül
• Nachricht wird durch Medium transportiert
• Empfänger erkennt und dekodiert Molekül
• Modulationstechniken: Konzentrationsbasierte, Frequenzbasierte
• Kanalmodelle: Diffusionskanal, Strömungsunterstützter Kanal
• Herausforderungen: Rauschen, Verzögerung, Signalzerfall

Signaltransduktion und -transmission

Definition:

Signaltransduktion und -transmission: Prozess der Übertragung von Signalen von einem Sender zu einem Empfänger über verschiedene Kanäle und Mechanismen.

Details:

• Signaltransduktion: Umwandlung externer Signale in zelluläre Antworten.
• Signaltransmission: Weitergabe der Signale über Kommunikationskanäle.
• Nutzung chemischer oder physikalischer Signale (z.B. Moleküle, Lichtwellen).
• Formeln und Modelle zur Beschreibung: z.B. Ficksches Gesetz für Diffusion.
• Wichtige Parameter: Signalstärke, Übertragungsrate, Rauschunterdrückung.
• Anwendungen: Intrazelluläre Kommunikation, neuronale Netzwerke, biomedizinische Anwendungen.

Übertragungsmechanismen und -mittel in molekularen Systemen

Definition:

Definierte Bahnen und Mittel, durch die Signalmoleküle in molekularen Kommunikationssystemen übertragen werden.

Details:

• Diffusion: Moleküle bewegen sich zufällig von hoher zu niedriger Konzentration.
• Konvektion: Molekülbewegung durch Flüssigkeitsströmung.
• Active transport: Spezifische Transportmoleküle (z.B. Motorproteine) transportieren Signale zielgerichtet.
• Übertragungsrate abhängig von Konzentration, Temperatur und Medium.
• Detektionsmethoden: Chemorezeptoren, fluoreszenzbasierte Methoden.

Modellierung und Simulation molekularer Systeme

Definition:

Modellierung und Simulation molekularer Systeme: Prozess komplexer molekularer Interaktionen mittels mathematischer Modelle und Computer-Simulationen.

Details:

• Mathematische Modellierung: Differentialgleichungen, statistische Mechanik
• Simulationstechniken: Monte-Carlo, Molekulardynamik
• Software: GROMACS, LAMMPS, AMBER
• Ziel: Verständnis, Vorhersage des Verhaltens molekularer Systeme
• Bezug zur Informatik: Datenanalyse, Algorithmendesign, Hochleistungsrechnen

Rauschen und Störungen in molekularen Systemen

Definition:

Rauschen und Störungen beeinflussen die Signalübertragung in molekularen Systemen und können zu Informationsverlust oder Fehlinterpretationen führen.

Details:

• Rauschen (Noise): zufällige Schwankungen, die das Signal überlagern
• Störungen (Interference): externe oder interne Einflüsse, die das Signal verändern oder verfälschen
• Mathematisch: Rauschmodelle wie AWGN (Additive White Gaussian Noise) verwenden 〈N(t)〉 zum Beschreiben des Rauschanteils
• Störungen durch andere Moleküle, Barrieren, chemische Reaktionen
• Signalerkennung und Fehlerkorrektur: Techniken zur Minimierung der Effekte von Rauschen und Störungen
• Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR): Maß für die Qualität des Signals

Nanomaterialien und deren Eigenschaften

Definition:

Nanomaterialien: Materialien mit Strukturen im Nanometerbereich; besitzen einzigartige mechanische, optische und elektrische Eigenschaften.

Details:

• Größenordnung: 1-100 nm
• Erhöhte spezifische Oberfläche: höhere Reaktivität, verbesserte Katalyse
• Mechanische Eigenschaften: hohe Festigkeit, geringes Gewicht
• Optische Eigenschaften: Quantenpunkte, Plasmonenresonanz
• Elektrische Eigenschaften: Quantum-Tunneling, verbesserte Leitfähigkeit
• Bedeutung in Molecular Communications: Nanotransistoren, Nanoantennen, Biosensoren

Kommunikationsnetzwerke auf nanoelektronischem Niveau

Definition:

Kommunikationsnetzwerke auf nanoelektronischem Niveau nutzen nanoskalige elektronische Komponenten für den Informationsaustausch.

Details:

• Verwendung von Quantenpunkten, Nanodrähten und Kohlenstoff-Nanoröhren
• Prinzipien von elektromagnetischen Wellen und Signalverarbeitung
• Anwendung in der Medizin (z.B. gezielte Medikamentenabgabe)
• Potenzial für extrem hohe Datenraten und Energieeffizienz

Anwendungsbereiche der molekularen Kommunikation in der Medizin

Definition:

Verwendung molekularer Kommunikationen zur Diagnostik, Therapie und Überwachung von Krankheiten.

Details:

• Diagnostik: Erkennung von Biomarkern durch molekulare Kommunikation
• Therapie: Präzise Arzneimittelabgabe mittels Nanopartikeln
• Überwachung: Echtzeit-Monitoring von Gesundheitsparametern
• Prognose: Vorhersage von Krankheitsverläufen
• Personalisiert: Anpassung der Behandlung individuell anhand molekularer Signale