سیستم های کنترل ازدحامی برای نانوپزشکی و کاربرد آن در پیشگیری بیماری تصلب شرایین

در سال های اخیر، پیشرفت های قابل توجه در فناوری نانو، امکان تولید عامل هایی در مقیاس نانو را جهت ارسال به درون بدن انسان محقق ساخته که این امر منجر به جهشی بزرگ در پزشکی امروز در راستای تشخیص و درمان بیماری های پیچیده شده است. این زمینه ی تحقیقاتی میان رشته ای جدید، نانوپزشکی نام دارد. در فناوری نانو و به خصوص در نانوپزشکی، هر نانوعامل دارای قابلیت های بسیار محدودی است. فیدبک گرفتن از طریق حسگرها، تحریک کردن از طریق عملگرها و انجام محاسبات از طریق کنترلر (واحد محاسباتی)، همگی به صورت محلی، توزیع شده و غیرمتمرکز هستند. علاوه بر این، محیط داخلی بدن انسان بسیار پویا و سرشار از عدم قطعیت است. از این رو، وظایف خواسته شده در نانوپزشکی، مشابه و یا در بعضی موارد پیچیده تر از مسایل ماکروسکوپی مهندسی می باشند. اما خوشبختانه، در بسیاری از مسایل کاربردی فناوری نانو از جمله نانوپزشکی، حتی در حجم کوچکی از محیط، ازدحام های بزرگی از نانوعامل ها وجود دارد. سوال اصلی این است که چگونه می توان از این ازدحام نانوعامل های بسیار ساده جهت انجام محاسبات پیچیده در یک محیط با عدم قطعیت بالا به طور خودگردان بهره برد؟ این رساله به طور کلی برای نانو فناوری و به طور خاص برای نانوپزشکی، به این سوال پاسخ می دهد. در این تحقیق، ما یک معماری خاص را برای نانوعامل ها پیشنهاد می کنیم که آن را نانوذره خودگردان حامل دارو (adenp) می نامیم. به منظور افزایش امکان پذیری تولید adenp در مقیاس نانو با عنایت به محدودیت های نانوفناوری امروزی، پیچیدگی سخت افزاری adenp بسیار پایین در نظر گرفته شده است. به عنوان دو نوع adenp خاص، ما تئوری عامل های پایه ی فازی و عامل های پایه ی بازه ای را به عنوان یک چارچوب نظری قوی برای رایانش ازدحامی توسط عامل های بسیار ساده به خصوص برای نانوپزشکی پیشنهاد می کنیم. با توجه به سادگی ساختاری عامل های پایه ی پیشنهادی، این رویکرد برای تحقق رایانه های قابل برنامه ریزی توسط نانوعامل ها، بسیار امیدوار کننده است. در این رساله، به صورت ریاضی اثبات می کنیم که عامل های پایه ی پیشنهادی از خاصیت تقریب گری عمومی توابع و قابلیت برنامه ریزی بهره می برند که هر دو از نیازهای حیاتی برای رایانش در مقیاس نانو است. علاوه بر این، مقاوم بودن و طراحی بهینه رایانش ازدحامی توسط عامل های پایه پیشنهادی به صورت تحلیلی مورد بررسی قرار می گیرد. توانایی رهیافت ارائه شده از طریق شبیه سازی و پیاده سازی عملی ارزیابی می شود و تعدادی از روش های کنترل ماکروسکوپی رایج توسط سیستم کنترل ازدحامی پیشنهادی پیاده سازی می گردد. در بخش شبیه سازی، ما یک روش غیر تهاجمی جدید را توسط ازدحامی ازadenp های پیشنهادی برای پیشگیری بیماری آترواسکلروز (تصلب شرایین) معرفی می کنیم. همچنین، یک toolbox جدید تحت matlab با نام "adenp tool" مبتنی بر یکی از مدل های ریاضی معتبر برای شبیه سازی انتقال نانوذرات در دیواره رگ طراحی شده است. در این راستا، یک مدل فشرده فضای حالت جدید برای انتقال ldl-نانوذرات- دارو در دیواره ی رگ پیشنهاد شده است که می تواند به طور وسیع در نانوپزشکی مورد استفاده قرار گیرد. در بخش پیاده سازی عملی، ایده ی پیشنهادی توسط ازدحامی از میلی ذرات خودگردان، برای کنترل اتوماتیک یک ربات خودرو-مانند پیاده سازی شده و تعدادی از روش های کنترل ماکروسکوپی رایج به صورت عملی مورد آزمون قرار گرفته است.