شبکه‌های نانویی
معماری شبکه‌های‌نانویی

قابلیت ارتباط، تنها مشخصه‌ای است که نانوماشین‌ها را قادر می‌سازد که برای رسیدن به یک هدف مشترک به‌طور هم‌زمان و نظارت‌شده، با هم همکاری کنند. فرایند مخابراتی در نانوماشین‌ها را می‌توان به دو سناریوی زیر دسته‌بندی کرد:
ارتباط میان نانوماشین و سیستم‌های بزرگتری مانند دستگاه‌های میکروالکترونیکی
ارتباط میان دو یا بیشتر نانوماشین
برای این دو سناریو، روش‌های ارتباطی مختلفی از قبیل الکترومغناطیسی، صوتی، نانومکانیکی و مولکولی، ارائه‌شده‌اند [۴]. مخابرات مبتنی بر موج‌های الکترومغناطیسی، رایج‌ترین روش ارتباطی در میکروالکترونیک است. این امواج می‌توانند، با حداقل افت در داخل سیم‌ها یا هوا منتشر شوند. با توجه به اندازه نانوماشین‌ها، سیم‌بندی تعداد زیادی از آن‌ها غیرممکن و ناکاراست و در این خصوص، فناوری بی‌سیم مناسب‌تر است. برای ایجاد یک رابطه بی‌سیم دوطرفه، باید فرستنده-گیرنده رادیویی در داخل نانوماشین تعبیه شود که با توجه به اندازه کوچک نانوماشین‌ها و پیچیدگی فرستنده-گیرنده‌های فعلی، این کار امکان‌پذیر نیست. ضمناً، اگر بتوانیم این فرستنده-گیرنده را در نانوماشین بگنجانیم، توان ارسالی آن برای برقراری ارتباط دوطرفه کافی نخواهد بود [۳]. بنابراین، استفاده از امواج الکترومغناطیسی تنها برای ارتباطات میان نانوماشین و ابزارهایی در ابعاد بزرگتر قابل استفاده خواهد بود و نمی‌توان از آن برای ارتباط دوطرفه میان نانوماشین‌ها استفاده کرد.
در مقیاس نانو، ارتباط صوتی، به‌طور عمده بر انتقال امواج فراصوت مبتنی است. برای این کار نیز، باید مبدل‌های فراصوت در داخل نانوماشین تعبیه شوند. این مبدل‌ها باید بتوانند تغییرات سریع فشار ناشی از امواج فراصوت را تشخیص داده و سیگنال‌های صوتی متناسب با آن را منتشر کنند. در اینجا نیز، مسئله اندازه مشکل اصلی برای مجتمع‌سازی این مبدل‌ها در داخل نانوماشین است.
در مخابرت نانومکانیکی، اطلاعات از طریق پیوندگاه‌های ثابت میان ابزارهای نانویی به‌هم چسبیده مبادله می‌شود. اشکال اصلی این نوع ارتباط، نیاز حتمی به اتصال فیزیکی فرستنده و گیرنده است و این‌که برای اطمینان از تنظیم صحیح فرستنده-گیرنده‌های مکانیکی، این اتصال باید به‌اندازه کافی بلندمدت باشد. از آنجا که نانوماشین‌ها دریک فضای گسترده و بدون ارتباط مستقیم میان آن‌ها پخش می‌شوند، این روش ارتباطی برای بسیاری از سناریوهای کاربردی مناسب نیست. در مجموع، علاوه بر نیاز به سیستم‌های حرکتی مناسب و دائمی، نیاز به وجود سیستم موقعیت‌یابی در نانوماشین‌ها، از موانع اصلی در کاربردی کردن روش مخابرات نانومکانیکی است.
مخابرات مولکولی، یک زمینه میان‌رشته‌ای جدید، شامل فناوری اطلاعات و ارتباطات، زیست‌فناوری و فناوری نانو است، که در آن اطلاعات در قالب کدهای مولکولی منتقل و دریافت می‌شود[۳]. برخلاف روش‌های ارتباطی قبلی، مجتمع‌سازی فرستنده-گیرنده‌های مولکولی در نانوماشین‌ها، با توجه به اندازه کوچک آن‌ها و دامنه طبیعی فعالیت‌شان در چهارچوب کاری مقیاس نانو، امری امکان‌پذیر است. می‌توان از مخابرات مولکولی برای ارتباط میان تعداد زیادی از نانوماشین‌ها استفاده کرد و توسط شبکه‌های نانویی ایجاد شده، قابلیت آن‌ها را در انجام کارهای پیچیده‌تر و در مقیاس‌های بزرگتر افزایش داد. اگر تعداد زیادی نانوماشین در فضای گسترده‌ای پخش شده باشند، تعامل با یک نانوماشین مشخص به دلیل اندازه کوچک آن، بسیار دشوار خواهد بود. این تعامل، شامل رویه‌هایی از قبیل فعال‌سازی و غیرفعال‌سازی نانوماشین‌ها، تنظیم پارامترها، اکتساب داده‌ها و فرمان‌های دقیق است. شبکه‌های نانویی این تعامل را از طریق زیرساخت‌ها و مکانیسم‌هایی برای همه‌پخشی پیام در ناحیه مورد نظر، ایجاد می‌سازند.
به‌جز افزایش قابلیت‌های نانوماشین‌ها، شبکه‌های نانویی برای تعدادی از کاربردها که شبکه‌های ارتباطی فعلی و ابزارهای میکرو برای آن‌ها مناسب نیستند، راه‌حل‌های مناسبی ارائه می‌کند. در مجموع، در مقایسه با فناوری‌های ارتباطی فعلی، می‌توان مزایای زیر را برای شبکه‌های نانویی برشمرد:
- در مسائلی که اندازه ابزار، یک مسئله حیاتی در کیفیت انجام کار است، مانند درمان‌های دقیق در داخل بدن انسان، نانوماشین‌ها و شبکه‌های نانویی حاصل از آن‌ها قادر به انجام کارهایی هستند که توسط سیستم‌های دیگر امکان‌پذیر نیست.
- سازگاری زیستی، توانایی یک وسیله در انجام عملیات هماهنگ با محیط زنده است، به‌گونه‌ای که بر آن تأثیر منفی نداشته باشد. در کاربردهای مهندسی پزشکی، با توجه به این‌که بسیاری از بافت‌های زنده، داروها و اعضای مصنوعی را پس می‌زنند، ابزار الکترونیکی باید بتوانند بر سیستم دفاعی موجود زنده غلبه کنند. برای ایجاد سازگاری میان نانوماشین‌ها و اندام‌های طبیعی، می‌توان از مواد و واسط‌های متناسب‌تر در ساخت بدنه آن‌ها استفاده کرد. ضمناً برای جلوگیری از فرایندهای دفع، می‌توان گره‌های شبکه‌نانویی و پیام‌های مولکولی را طوری برنامه‌ریزی کرد که پس تکمیل از کار، غیرفعال شوند. با استفاده از نانومواد هوشمند، می‌توان گره‌های شبکه‌های نانویی را طوری طراحی کرد که با هماهنگی با شرایط هر محیط خاص، حداکثر سازگاری زیستی را با آن سیستم داشته باشند.
- در زمینه مصرف انرژی، استفاده از واکنش‌های شیمیایی بسیار کارآمد است[۵]. این واکنش‌ها انرژی گره‌های شبکه نانویی و فرایندهای مربوطه از قبیل محاسبات پیچیده و عملیات تصمیم‌گیری را تأمین می‌کنند.
اولین مدل‌های شبکه‌های نانویی، به‌تقلید از مخابرات مولکولی موجود در سیستم‌های زیستی طراحی‌شده‌اند. شبکه‌های نانویی زیستی، برای ارتباطات داخل سلول، بین‌سلول‌ها و بین بافت‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. با توجه به اندازه کوچک سلول‌ها و فضای بین آن‌ها، به شبکه‌های داخل و میان سلولی، شبکه‌های نزدیک‌برد می‌گوییم که بازه عمل آن‌ها، در محدوده نانومتر تا میکرومتر است. برای فاصله‌های بین میکرومتر تا میلی‌متر، از شبکه‌های بردمتوسط و برای فاصله‌های میلی‌متر تا متر از شبکه‌های نانویی دوربرد استفاده می‌کنیم.