Fabrication of advanced visual information processing devices using printing patterns of the photoreceptor protein bacteriorhodopsin

• Project/Area Number: 17K05037
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Applied materials
• Research Institution: National Institute of Information and Communications Technology
• Principal Investigator: Kasai Katsuyuki 国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所フロンティア創造総合研究室, 主任研究員 (90359084)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2019: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2018: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2017: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: バクテリオロドプシン / ガボールフィルタ / 光受容タンパク質 / インクジェットプリンタ / 光センサー / バイオエレクトロニクス / ナノバイオ

Outline of Final Research Achievements

Bacteriorhodopsin (bR) is a photoreceptor membrane protein extracted from Halobacterium salinarum. The function of bR is similar to that of rhodopsin which is the visual pigment of animals. Irradiation of bR on the interface of electrodes and the electrolyte generates a time-differential photocurrent without the need for an external power supply. Printing patterns of bR can be obtained by using an inkjet printer, and this method is suitable for on-demand pinpoint soft patterning of such biomaterials. This scheme leads to development of biologically inspired devices which have visual information processing functions with spatial filtering. It is known that the spatial (2-D) Gabor functions are models of simple cell receptive fields. We have developed spatial Gabor filtering photosensors using the multi-layered printing patterns of bR.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

インクジェットプリンタを用いたｂＲ薄膜作製技術を開発し、ｂＲタンパク質を用いたガボールフィルタ型視覚情報デバイスを初めて実現することができた。ガボールフィルタのようなたたみ込み演算のデジタル処理は時間を要し、リアルタイムのシステムには不向きである。ｂＲを用いた低電力でのアナログ演算の高機能化により、リアルタイムの動画像処理が容易に可能となる。バイオ材料を用いたセンサーは低環境負荷・低コストであり、IoT、ロボット関連の技術開発に大きく寄与することになるであろう。

Research Products

• [Journal Article] Fabrication of Gabor Filtering Photosensors Using the Printing Patterns of Bacteriorhodopsin (2019)
  • Author(s): K. Kasai, H. Hasegawa, Y. Okada-Shudo, S. Tanaka, A. Otomo
  • Journal Title: OSA Technical Digest (online) Volume: - Pages: NoT2B.5-NoT2B.5
  • DOI: 10.1364/noma.2019.not2b.5
• [Journal Article] Efficient transient photocurrent generation in waveguide-type bacteriorhodopsin photocells (2018)
  • Author(s): T. Yamada, K. Kasai, T. Kaji, Y. Tominari, S. Tanaka, A. Otomo
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 57 Issue: 3S2 Pages: 03EK02-03EK02
  • DOI: 10.7567/jjap.57.03ek02
  • NAID: 210000148789
  • Peer Reviewed
• [Presentation] バクテリオロドプシンのインクジェットパターニングと視覚情報処理デバイス (2020)
  • Author(s): 正村和也、長谷川裕之、笠井克幸、山田俊樹、田中秀吉、岡田佳子、大友明
  • Organizer: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Fabrication of Gabor Filtering Photosensors Using the Printing Patterns of Bacteriorhodopsin (2019)
  • Author(s): K. Kasai, H. Hasegawa, Y. Okada-Shudo, S. Tanaka, A. Otomo
  • Organizer: OSA Advanced Photonics Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 光受容タンパク質を用いた光検出器の電気化学特性 (2019)
  • Author(s): 相内茜音、笠井克幸、岡田佳子
  • Organizer: 日本光学会年次学術講演会
• [Presentation] インクジェット法によるバクテリオロドプシンGaborフィルターの作製 (2019)
  • Author(s): 落合俊弘、船木康平、大坪純一、長谷川裕之、笠井克幸、岡田佳子
  • Organizer: 日本光学会年次学術講演会
• [Presentation] バクテリオロドプシンのインクジェットパターニングと視覚情報処理デバイス (2019)
  • Author(s): 正村和也、長谷川裕之、笠井克幸、山田俊樹、田中秀吉、岡田佳子、大友明
  • Organizer: 2019年 材料技術研究協会討論会
• [Presentation] 光受容タンパク質の薄膜パターン形成によるガボールフィルター型光センサーの構築 (2019)
  • Author(s): 笠井克幸、佐野由佳、長谷川裕之、岡田佳子、田中秀吉、大友明
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] バクテリオロドプシン光応答セルの応用と時間微分型光応答電流の高効率化 (2018)
  • Author(s): 山田俊樹、笠井克幸、長谷川裕之、梶貴博、富成征弘、田中秀吉、岡田佳子、大友明
  • Organizer: 第79回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] インクジェット法によるバクテリオロドプシン視覚情報処理デバイスの作製 (2018)
  • Author(s): 長谷川裕之、佐野由佳、笠井克幸、山田俊樹、田中秀吉、岡田佳子、大友明
  • Organizer: 2018年 材料技術研究協会討論会
• [Presentation] バクテリオロドプシンを用いた昆虫型ビジョンセンサーの開発 (2018)
  • Author(s): 笠井克幸、山田俊樹、富成征弘、梶貴博、田中秀吉、岡田佳子、大友明
  • Organizer: 2018年 材料技術研究協会討論会
• [Presentation] インクジェット法によるバクテリオロドプシン視覚情報処理デバイスの構築 (3) (2018)
  • Author(s): 長谷川裕之、笠井克幸、山田俊樹、田中秀吉、富成征弘、梶貴博、岡田佳子、大友明
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Inkjet Fabrication of Biomimetic Visual Sensors Using Bacteriorhodopsin (2017)
  • Author(s): H. Hasegawa, K. Kasai, Y. Tominari, T. Kaji, T. Yamada, S. Tanaka, Y. Okada-Shudo, A. Otomo
  • Organizer: 9th International Conference on Molecular Electronics and Bioelectronics (M&BE9)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Efficient transient photocurrent generation in waveguide-type bacteriorhodopsin photocells (2017)
  • Author(s): T. Yamada, K. Kasai, T. Kaji, Y. Tominari, S. Tanaka, A. Otomo
  • Organizer: 9th International Conference on Molecular Electronics and Bioelectronics (M&BE9)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fabrication of biomimetic sensing devices using bacteriorhodopsin via an inkjet printing method (2017)
  • Author(s): H. Hasegawa, K. Kasai, T. Yamada, S. Tanaka, Y. Tominari, T. Kaji, A. Otomo, Y. Okada-Shudo
  • Organizer: SPIE 2017
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] インクジェット法によるバクテリオロドプシン視覚情報処理デバイスの構築 (2) (2017)
  • Author(s): 長谷川裕之、笠井克幸、山田俊樹、田中秀吉、富成征弘、梶貴博、岡田佳子、大友明
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 光受容タンパク質バクテリオロドプシンを用いた視覚情報処理型センサ (2017)
  • Author(s): 笠井克幸、長谷川裕之、山田俊樹、秋葉誠、富成征弘、梶貴博、田中秀吉、岡田佳子、大友明
  • Organizer: 電子情報通信学会 ソサイエティ大会
  • Invited