L’Internet of Bio-Nano Things è una delle prossime frontiere della medicina del futuro e al centro delle ricerche della docente Laura Galluccio
La realizzazione della Internet of Bio-Nano Things (IoBNT) è una delle prossime frontiere della medicina del futuro.
Consentire un'interazione diretta e continua con i sistemi biologici, infatti, è l’obiettivo principale dell’utilizzo della IoBNT, una rete eterogenea di dimensioni nanometriche in cui dispositivi sintetici e componenti biologiche comunicano all'interno del corpo umano tramite tecnologie non convenzionali, quali ad esempio le comunicazioni molecolari, la microfluidica o le interfacce neuronali.
Grazie alla “rete” sarà possibile, non solo un accurato rilevamento e controllo delle dinamiche dei sistemi biologici in tempo reale, ma anche pilotare il comportamento delle cellule (specialmente nel caso in cui alcune malattie ne pregiudichino il modo in cui esse dovrebbero correttamente lavorare) per correggere alcuni “malfunzionamenti cellulari” legati a patologie.
Vere e proprie sfide che i ricercatori da anni stanno cercando di vincere grazie all’utilizzo delle innumerevoli potenzialità dell'IoBNT.
«Alcune criticità, infatti, riguardano lo sviluppo di paradigmi di nano-comunicazioni sicure e robuste, che preservino anche aspetti di privacy, il supporto al funzionamento dei dispositivi che andranno a essere collocati dentro il corpo e che per funzionare richiederanno energia, nonché la possibilità di realizzare materiali nuovi, biocompatibili, e strutture miniaturizzate per l’impianto su esseri viventi» spiega la prof.ssa Laura Galluccio che, nell’ambito di questa interessante e sfidante tematica di ricerca, si è occupata della modellizzazione del comportamento dei neuroni al fine di interfacciare i sistemi neurali biologici con una IoBNT composta anche da dispositivi sintetici.
Ricerche che potrebbero rappresentare la soluzione per malattie diffuse come l'Alzheimer o la paralisi
«Le comunicazioni tra nanomacchine, infatti, rappresentano un paradigma promettente per le innumerevoli applicazioni che possono essere previste soprattutto in campo medico – spiega la docente, associato in Telecomunicazioni al Dipartimento di Ingegneria Elettrica Elettronica e Informatica dell’Università di Catania -. Molte patologie neurologiche diffuse come l'Alzheimer o la paralisi, purtroppo associate a una cattiva comunicazione neuronale o addirittura all'interruzione della propagazione dell'impulso attraverso il sistema nervoso a causa di danni irreversibili in un'area del corpo umano, potrebbero trovare una parziale soluzione tramite l’impianto di nanomacchine che possano sopperire a malfunzionanti meccanismi naturali».
«La comunicazione tra nanodispositivi presenti all’interno del corpo si prevede potrà avvenire anche tramite scambio di molecole opportune trasportate all’interno di gocce in modo controllato – aggiunge la docente -. In questo ambito le attività di ricerca condotte da me e da un gruppo di colleghi del Dieei hanno anche riguardato la microfluidica, ovvero quella branca della fisica che studia fluidi che scorrono all’interno di canali con un diametro dell'ordine dei micrometri, in cui i flussi operano in regimi laminari».
La docente Laura Galluccio
L’obiettivo è “manipolare” i flussi all’interno dei canali per eseguire operazioni complesse
«La principale applicazione di questi sistemi è da ricercarsi nei cosiddetti Labs-on-a-Chip (LoCs), ovvero dispositivi in cui vengono manipolati piccoli volumi di fluidi tipicamente a scopo di analisi chimiche e biologiche come ad esempio la distribuzione controllata di farmaci, la sintesi di biomolecole, i test diagnostici, o il sequenziamento del DNA – spiega la docente Laura Galluccio -. I LoC dovranno essere in grado di eseguire un gran numero di analisi elementari all'interno di un singolo dispositivo. Di conseguenza, nel recente passato sono stati fatti numerosi tentativi per definire un framework per la realizzazione di sistemi microfluidici programmabili totalmente passivi in cui diversi LoC, in grado di svolgere specifiche funzioni di laboratorio, siano distribuiti in un singolo chip e collegati tra loro per formare una rete in grado di eseguire operazioni complesse in modo programmabile. Anche internamente al corpo di un vivente, infatti, è possibile ipotizzare che le nanomacchine biologiche o meno si scambino informazioni e si coordinino secondo logiche digitali codificate tramite gocce».
Una “porta” verso nuove logiche di comunicazione
«Proprio così. Queste ricerche aprono grandi prospettive verso la realizzazione di nuove logiche di comunicazione che si basano sul concetto di Networked LoC (NLoC), tema principale degli studi del gruppo di ricerca cui afferisco– racconta la docente del DIEEI. In questo ambito l’attività di ricerca ha riguardato la definizione, per la prima volta, di una architettura di comunicazione puramente passiva microfluidica e basata su droplet microfluidics tramite la quale è stato anche possibile valutare la capacità di canale e quindi la quantità di informazione massima teoricamente trasportabile, nonché i limiti teorici sulla quantità massima di dati trasmissibili per unità di tempo e sulla probabilità di errore».
Una ricerca premiata anche da ACM Sigmobile N2Women
L’ACM Sigmobile N2Women ha inserito la prof.ssa Laura Galluccio nella lista delle 10 ricercatrici insignite per il 2022 del riconoscimento di "Stars in Computer Networking and Communications".
In particolar modo la docente catanese è stata riconosciuta come ricercatrice di riferimento nell’ambito della gestione delle risorse di rete intelligente per i sistemi di comunicazione 5G/6G di nuova generazione, le reti microfluidiche e le comunicazioni ultrasoniche per applicazioni intra-corporee.
N2Women (Networking Networking Women) è una comunità specifica di ricercatori che operano nel campo delle reti di telecomunicazioni che incoraggia la diversità e mira a favorire le integrazioni e connessioni tra gruppi di ricerca internazionali che lavorano su temi di reti e comunicazioni.
La comunità è supportata tecnicamente e scientificamente da ACM Sigmobile, IEEE Communications Society, IEEE Computer Society e Microsoft Research. N2Women ha iniziato le sue attività nel 2006 con il suo primo incontro tenuto in occasione di ACM MobiHoc 2006 a Firenze.
Ci sono molte donne che hanno lasciato un contributo rilevante nel campo delle reti di telecomunicazioni e per onorare alcune di queste, N2Women pubblica l’elenco delle "Stars in Computer Networking and Communications" il 10 dicembre di ogni anno, giorno del compleanno di Ada Lovelace (prima programmatrice di computer al mondo e studiosa di calcolo numerico).
Insieme con la prof.ssa Laura Galluccio, unica italiana, figurano anche Cailian Chen (Shanghai Jiao Tong University, China), Yingying Chen (Rutgers University, Usa), Sinem Coleri (Koc University, Turkey), Yingshu Li (Georgia State University, Usa), Athina Markopoulou (University of California, Usa), Jelena Misic (Toronto Metropolitan University, Canada), Edith C. H. Ngai (The University of Hong Kong, Hong Kong), Ping Wang (York University, Canada) e Rong Zheng (McMaster University, Canada).