Progressi nella Comunicazione Molecolare Artificiale: Nanoparticelle di Informazione per un Trasferimento Efficiente dei Messaggi

One of the emerging technologies in the field of communications is undoubtedly Molecular Communication. The study of this branch of communication science began no more than about fifteen years ago, driven by the need to find an innovative and effective method for transferring information in places or ways where traditional communication techniques have limitations. Currently, we live in a hyper-connected society, extensively utilizing increasingly advanced technologies to transfer data, with individuals and objects interconnected in a vast network. Information today travels at ever-increasing speeds and with increasingly significant dimensions. However, there are conditions where it is not possible to communicate using the most commonly employed element in our technologies, namely electromagnetic radiation. For example, there are environments that simply do not allow the use of wave-based wireless systems. These environments are often underground or embedded, can be hostile with interference and unauthorized listeners, or of small dimensions, requiring the use of nanotechnology. In various real-world scenarios, electromagnetic radiation may be impeded or prove harmful and dangerous within the environment in which it propagates. To enable communication in such "wave-denied" environments, a community of scientists composed of engineers, physicists, and chemists, initially formed by a few individuals but now encompassing a large number of people, has identified Molecular Communication as a valid solution to the limitations of traditional communication. What makes the birth of this science more fascinating is that it was theorized by mimicking Nature. Molecular communication is based on the transfer of information through chemical messengers, a mechanism present at the core of communication in biological systems. From the macro world, such as animals or plants, to the micro and nano world, like bacteria, cells, or DNA fragments, a multitude of mechanisms can be observed where information exchange occurs through more or less complex molecules. This doctoral thesis delves into the details of molecular communication and highlights its immense potential. The work is structured into three main areas: the first defines a class of chemical messengers useful for information transport; the second describes an innovative signal modulation method that accelerates and makes more effective the information transport in molecular communication between two devices; finally, the third investigates some conditions, from both a theoretical and experimental perspective, under which it is possible to optimize the molecular communication techniques already present in the scientific literature.

Una delle tecnologie emergenti nel campo delle comunicazioni è senza dubbio la Comunicazione Molecolare. Lo studio di questa branca della scienza delle comunicazioni ha avuto inizio non più di una quindicina di anni fa, con una grande spinta nata dalla necessità di trovare un metodo innovativo ed efficace per trasferire informazioni in luoghi o modi in cui le tradizionali tecniche di comunicazione presentano limiti. Attualmente, viviamo in una società iper-connessa e facciamo largo uso di tecnologie sempre più avanzate per trasferire dati, persone e cose sono collegate in un unico grande network. L'informazione, oggi, viaggia a velocità sempre crescente e con dimensioni sempre più significative. Tuttavia, ci sono condizioni in cui non è possibile comunicare mediante l'elemento più comunemente utilizzato dalle nostre tecnologie, ovvero la radiazione elettromagnetica. Ad esempio, esistono ambienti che semplicemente non consentono l'uso di sistemi wireless basati su onde. Questi ambienti sono spesso sotterranei oppure incorporati, possono essere ostili, con interferenze e ascoltatori non autorizzati, oppure di dimensioni ridotte, in cui è richiesto l’utilizzo della nanotecnologia. In diverse circostanze del mondo reale, la radiazione elettromagnetica può essere ostacolata o risultare dannosa e pericolosa all'interno dell'ambiente in cui si propaga. Proprio per permettere la comunicazione in tali ambienti, definiti “wave-denied”, una comunità di scienziati composta da ingegneri, fisici e chimici, inizialmente formata da pochi elementi ma oggi abbracciante un vasto numero di persone, ha individuato nella Comunicazione Molecolare una valida soluzione ad alcune delle limitazioni della comunicazione tradizionale. Ciò che rende più affascinante la nascita di questa scienza è il fatto che è stata teorizzata imitando la Natura. La comunicazione molecolare si fonda infatti sul trasferimento di informazioni attraverso messaggeri chimici, un meccanismo presente alla base della comunicazione nei sistemi biologici. Dal mondo macro, come gli animali o le piante, al mondo micro e nano, come i batteri, le cellule o i frammenti di DNA, si osserva una moltitudine di meccanismi in cui avviene lo scambio di informazioni attraverso molecole più o meno complesse. Questa tesi di dottorato esplora nel dettaglio la comunicazione molecolare e ne sottolinea le immense potenzialità. Il lavoro si articola in tre macroaree: la prima definisce una classe di messaggeri chimici utili al trasporto dell'informazione; la seconda descrive un innovativo metodo di modulazione del segnale che accelera e rende più efficace il trasporto dell'informazione nella comunicazione molecolare tra due dispositivi; infine, la terza investiga alcune condizioni, sia da un punto di vista teorico che sperimentale, con le quali è possibile ottimizzare le tecniche di comunicazione molecolare già presenti nella letteratura scientifica.