Chaire AXA sur les technologies moléculaires de l'information et de la communication

L'IoNT est voué à transformer notre façon de nous connecter au monde et de le comprendre. Cependant, les techniques de communication électromagnétique (EM) classiques se sont révélées peu pratiques à l'échelle nanométrique en raison de la taille des antennes, des limitations de puissance et des importantes pertes de propagation lorsque l'onde électromagnétique se propage dans l'espace.

Par ailleurs, la nature elle-même fournit un moyen robuste de nano-communication, à savoir les communications moléculaires (CM), la modalité de communication commune aux cellules vivantes, de nos propres neurones aux bactéries. L'utilisation d'un langage commun avec les cellules vivantes par l'encodage, la transmission et la réception d'informations via des molécules offre des nano-communications fiables et économes en énergie, même dans des environnements biologiques difficiles, Des environnements au sein desquels sont prévus les usages médicaux les plus importants des IoNT.

Cependant, malgré l'intérêt porté à ce domaine et le grand nombre de travaux théoriques visant à concevoir des méthodes de communication pour les CM, aucun prototype fonctionnel de communication artificielle n'a été créé à ce jour.  En raison des propriétés hautement complexes, non linéaires et variables dans le temps des canaux des CM, les outils TIC classiques ne fonctionnent pas toujours. En effet, ceci trouve son origine dans la nature discrète de ces porteurs d'information, à leur importante mémoire de canal et aux particularités des interactions moléculaires à l'échelle nanométrique.

Ce défi inédit remet en question la fiabilité des méthodes de communications moléculaires existantes, qui sont pour la plupart issues des communications électromagnétiques conventionnelles et ne sont pas validées par des dispositifs CM pratiques. Il existe un besoin urgent et non satisfait de dispositifs CM pratiques à l'échelle micro/nanométrique pour combler ce fossé entre la théorie et la pratique et libérer les applications envisagées des IoNT et de la communication moléculaire.

C'est dans ce contexte que le programme de la chaire AXA dirigé par le professeur Ozgur B. Akan élabore un programme couvrant les domaines des communications moléculaires, de la nanotechnologie, de la biotechnologie et de la médecine translationnelle. Le programme sera mis en œuvre au sein du département de génie électrique et électronique (ELEC) et du centre de recherche de l'université de Koç pour la médecine translationnelle (KUTTAM).

Il s'efforcera de combler le fossé entre les technologies de l'information et de la communication (TIC) et plusieurs disciplines - notamment la physique, la biologie moléculaire, la nanotechnologie, la biotechnologie et la médecine - afin de créer d'importantes possibilités de collaboration axées sur les défis sociétaux mondiaux les plus pressants liés à la vie et à la santé, aux données et à la technologie, et à l'environnement.

Le programme de recherche proposé vise à mettre en œuvre les tout premiers systèmes de communications moléculaires artificiels à l'échelle micro/nanométrique dans des environnements liquides et aériens en fabriquant des émetteurs-récepteurs CM (MC-TxRx) basés sur de nouveaux nanomatériaux tels que le graphène, les hydrogels et les Xérogels. Étant données les particularités découlant des processus nano-physiques et biochimiques, et les limites informatiques et énergétiques des nanomachines, le programme réexaminera les outils TIC conventionnels et en concevra de nouveaux pour les CM sur la base des connaissances empiriques acquises grâce aux prototypes de systèmes CM élaborés.

Le projet se concentrera sur deux applications : (i) un réseau distribué de nanocapteurs moléculaires pour la surveillance de l'environnement, et (ii) un axe intestin-cerveau artificiel comme banc d'essai pour le développement de nouvelles techniques de traitement basées sur les TIC pour les maladies psychologiques et intestinales.

 Les résultats de la recherche favoriseront les activités de standardisation dans le domaine émergent des MC et des nanoréseaux et fourniront des lignes directrices pour la conception de systèmes MC fiables via les processus de standardisation de l'IEEE (IEEE P1906.1 - Recommended Practice for Nanoscale and Molecular Communication Framework).

Le programme de la Chaire AXA offre une opportunité unique de croiser les expériences dans les domaines des TIC, des bio-nanotechnologies et de la médecine pour un impact direct sur la vie humaine.