IoBNT: Ein systematischer Überblick über Bio-Cyber-Schnittstellen-Technologien und Sicherheitsaspekte für das Internet der Bio-Nano-Dinge
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Zusammenfassung:
Die Fortschritte in der synthetischen Biologie und der Nanotechnologie haben zur Entwicklung von Werkzeugen beigetragen, mit denen die Struktur von Zellen kontrolliert, wiederverwendet, verändert und neu gestaltet werden kann, und die es Ingenieuren ermöglichen, biologische Zellen effektiv als programmierbare Substrate zu nutzen, um Bio-NanoThings (biologische eingebettete Computergeräte) zu realisieren.
Bio-NanoThings sind im Allgemeinen winzige, unauffällige und verborgene Geräte, die für In-vivo-Anwendungen wie körpereigene Sensor- und Antriebsnetze verwendet werden können, bei denen der Einsatz künstlicher Geräte nachteilig sein kann.
Solche (nanoskaligen) Geräte können in verschiedenen Bereichen des Gesundheitswesens eingesetzt werden, z. B. bei der kontinuierlichen Gesundheitsüberwachung, der gezielten Verabreichung von Arzneimitteln und der Nanochirurgie.
Diese Dienste können auch zu einem kollaborativen Netzwerk (d. h. einem Nanonetzwerk) zusammengefasst werden, dessen Leistung potenziell verbessert werden kann, wenn es mit externen Netzwerken mit höherer Bandbreite wie dem Internet verbunden wird, beispielsweise über 5G.
Um das IoBNT-Paradigma (Internet of BioNanoThings) zu verwirklichen, ist es jedoch auch wichtig, die biologische Umgebung nahtlos mit der technologischen Landschaft zu verbinden, indem eine dynamische Schnittstelle entwickelt wird, die biochemische Signale aus dem menschlichen Körper in ein entsprechendes elektromagnetisches Signal umwandelt (und umgekehrt).
Dies birgt leider die Gefahr, dass interne biologische Mechanismen der cyberbasierten Erfassung und medizinischen Steuerung ausgesetzt werden, was sich auf die Sicherheit und den Datenschutz auswirken kann.
Dieses Papier gibt einen umfassenden Überblick über Bio-Cyber-Schnittstellen für die IoBNT-Architektur und konzentriert sich dabei auf Bio-Cyber-Schnittstellenoptionen für IoBNT wie biologisch inspirierte bioelektronische Geräte, RFID-fähige implantierbare Chips und elektronische Tattoos.
Siehe auch Video: https://t.me/GrapheneAgenda/285
In dieser Studie werden auch bekannte und potenzielle Sicherheits- und Datenschutzschwachstellen sowie Strategien zur Abschwächung dieser Schwachstellen aufgezeigt, die bei künftigen IoBNT-Designs und -Implementierungen zu berücksichtigen sind.
ABSCHNITT I.
Einführung
Angesichts der jüngsten Pandemien und der damit verbundenen Abriegelungsmaßnahmen ist das Interesse an der Erforschung der elektronischen und ferngesteuerten Erbringung von Gesundheitsdiensten erneut, wenn nicht sogar noch stärker, gestiegen.
Einer der jüngsten Trends ist das Internet der Bio-Nano-Dinge (IoBNT), das biologische Nanonetzwerke umfasst, die biologische und chemische Veränderungen in der Umgebung (d. h. im menschlichen Körper) erkennen und die gesammelten Daten über das Internet zur weiteren Verarbeitung an Datenzentren senden.
Diese Nanonetzwerke können auch medizinische Eingriffe auf der Grundlage von Befehlen vornehmen, die von den zuständigen Gesundheitsdienstleistern aus der Ferne gesendet werden. Biologische Nanonetzwerke bestehen in der Regel aus Rechengeräten in Nanogröße (auch als "Bio-Nano-Dinge" bezeichnet), die zusammenarbeiten, um Erfassungs- und Aktivierungsaufgaben in der eingesetzten Umgebung zu erfüllen [1]-[2][3][4][5][6][7][8].
Zu den unterstützten Aufgaben gehören die gezielte Verabreichung von Medikamenten (TDD), die kontinuierliche Gesundheitsüberwachung, die Gewebezüchtung und die Tumorerkennung [9]-[10][11][12][13][14][15][16].
Herkömmliche drahtlose Kommunikationstechnologien sind im Allgemeinen nicht geeignet, um die Kommunikation innerhalb von Nanonetzwerken zu unterstützen, da die Größe der Sendeempfänger, die Rechenkapazität und der Ausbreitungskanal der Bio-Nano-Dinge begrenzt sind.
Dies macht die Entwicklung neuartiger Kommunikationstechnologien für diese Nanonetzwerke erforderlich [17], [18]. Beispiele hierfür sind die molekulare Kommunikation (MC) [19], [20], die elektromagnetische Nanokommunikation (EM) im Terahertz-Band sowie die akustische und nanomechanische Kommunikation [21], [22].
Um den reibungslosen Betrieb von IoBNT-Geräten und -Systemen zu gewährleisten, sind nahtlose Verbindungen zwischen körpereigenen Nanonetzen und externen Netzen (z. B. dem Internet) für die Unterstützung komplexerer, realer Gesundheitsanwendungen unerlässlich.
Der externe Zugriff auf körpereigene Nanonetzwerke erfordert ein hybrides Schnittstellengerät, das die Kommunikationsprotokolle beider Paradigmen versteht, insbesondere biochemische Signale, die von körpereigenen Nanonetzwerken erzeugt werden, und elektromagnetische Signale, die vom Internet empfangen werden.
Die Bio-Cyber-Schnittstelle kann zusammenfassend als eine Reihe von Operationen definiert werden, die nacheinander ausgeführt werden, um biochemische Signale, die von körpereigenen Nanonetzwerken empfangen werden, in elektrische Signale für den Cyber-Bereich des Internets umzuwandeln und umgekehrt [23].
Mit anderen Worten, der Entwurf und die Modellierung der Bio-Cyber-Schnittstelle sind von entscheidender Bedeutung, aber auch eine Herausforderung bei der Umsetzung von IoBNT.
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