高速信号処理技術を用いた３次元AFMのリアルタイムインテリジェント制御
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20K15172
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
宮田 一輝 金沢大学, ナノ生命科学研究所, 助教 (10788243)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2022-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
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| Keywords | 原子間力顕微鏡 / 高速信号処理 / 機械学習 / バクテリオロドプシン |
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| Outline of Research at the Start |
近年の原子間力顕微鏡（AFM）の高速化や３次元化により、固液界面の構造や動態を原子・分子スケールで捉えることが可能となったが、その制御手法は高速化・３次元化に対応しておらず、構造や性質の変化を常に最適な条件で計測することが困難だった。本研究では高速信号処理技術を用いたインテリジェントなリアルタイム測定条件制御機構を開発し、生体分子や高分子など幅広い試料の高速３次元分子スケール構造・動態解析を実現する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年のAFM技術の高速化・３次元化によって、固液界面の構造や動態を原子・分子スケールで捉えることが可能となったが、その解析は未だ鉱物結晶や脂質膜のように原子・分子レベルで緻密に並んだ安定な構造に限られている。その要因として、現在の高速・３次元計測では従来のAFMと同じ探針制御手法を用いているため、界面現象や熱揺動により逐次変化する構造・性質に対して常に計測条件を最適化することや、柔らかい試料を侵襲せずに計測することが困難である点が挙げられる。本研究では、高速信号処理技術をAFM計測へ適用することで、インテリジェントなリアルタイム測定条件制御や非侵襲な探針－試料間距離制御機構を開発し、幅広い試料の高速３次元サブナノスケール構造・動態解析を実現する。
第一にインテリジェントリアルタイム測定制御を実現するため、本年度は機械学習を用いたAFM画像認識システムの技術基盤構築に取り組んだ。Pythonで使用可能な画像認識ライブラリの中からAFM画像に最適なものを比較評価した。また画像認識に用いる教師データの選定も行った。一方で、非侵襲な探針－試料間距離制御機構を開発するため、Field Programmable Gate Array（FPGA）を用いたAFMコントローラの開発に取り組んだ。さらに、本研究で開発した技術の有用性を示すための計測試料として細胞を選定し、これをAFMで計測するための計測条件確立に取り組んだ。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は探針－試料間距離制御機構を行うためのAFMコントローラの開発に加え、次年度実施予定だった試料の計測条件を確立しており、想定以上に研究が進行している。一方で、インテリジェントリアルタイム測定制御については想定以上に難航しており、当初目標である画像認識には至っていない。総合的には順調に進んでいるが、インテリジェントリアルタイム測定制御については集中して取り組む必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
第一にインテリジェントリアルタイム測定制御技術を確立する。また、本技術と探針－試料間距離制御を組み合わせ、細胞等を始めとする幅広い試料の高速３次元実計測に取り組む。
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Report
(1 results)
Research Products
(1 results)
