Development of optical-flow-sensing technology using two types of photoreceptor membrane proteins

• Project/Area Number: 26390051
• 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)
• Co-Investigator(Renkei-kenkyūsha): OKADA Yoshiko (SHUDO Yoshiko) 電気通信大学, 情報理工学(系)研究科, 准教授 (50231212)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2016: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2015: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2014: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
• Keywords: バクテリオロドプシン / オプティカルフロー / 光受容膜タンパク質 / 光センサー / バイオエレクトロニクス

Outline of Final Research Achievements

Bacteriorhodopsin (bR) is a photoreceptor membrane protein extracted from the cell membrane of Halobacterium salinarum which lives in saline lakes.　Irradiation of bacteriorhodopsin on the interface of electrodes and the electrolyte generates a time-differential photocurrent, which results in a signal that responds only to changes in the intensity of light without the need for an external power supply. By using two types of bR with different optical response characteristics, the optical flow detection known as a visual information function of an insect is attained. We have developed a novel optical-flow sensing method using a bipolar photosensor array with bR wildtype and its variant (D96N).

Research Products

• [Journal Article] Fabrication of bacteriorhodopsin (bR) thin films by wire-bar coating technique and evaluation of transient photocurrent response in its bR photocells (2017)
  • Author(s): T. Yamada, Y. Haruyama, K. Kasai, T. Kaji, Y. Tominari, S. Tanaka, A. Otomo
  • Journal Title: IEICE Trans. Electron. Volume: E100-C Pages: 133-136
  • NAID: 130005306552
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Development of UV Light Irradiation Patterning of Bacteriorhodopsin Thin Films for Biomimetic Functional Devices (2016)
  • Author(s): Y. Haruyama, K. Kasai, T. Yamada, S. Tanaka, Y. Tominari, T. Kaji, M. Kitamura, A. Otomo
  • Journal Title: Journal of Nanoscience and Nanotechnology Volume: 16 Issue: 4 Pages: 3420-3425
  • DOI: 10.1166/jnn.2016.12308
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Optical-Flow Sensing Using a Bacteriorhodopsin-based Bipolar Photosensor Array (2016)
  • Author(s): K. Kasai, Y. Haruyama, T. Yamada, M. Akiba, T. Kaji, Y. Tominari, S. Tanaka, Y. Okada-Shudo, A. Otomo
  • Journal Title: OSA Technical Digest (online) Volume: - Pages: SeW2F.2-SeW2F.2
  • DOI: 10.1364/sensors.2016.sew2f.2
• [Journal Article] バーコーティング法によるバクテリオロドプシン薄膜の作製とその光応答セルの時間微分型光応答電流の評価 (2015)
  • Author(s): 山田俊樹、春山喜洋、笠井克幸、梶貴博、富成征弘、田中秀吉、大友明
  • Journal Title: 電子情報通信学会技術研究報告(IEICE Technical Report) Volume: 115 Pages: 47-51
  • Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] バクテリオロドプシンを用いたオプティカルフロー検出型視覚機能の構築 (2014)
  • Author(s): 笠井克幸、春山喜洋、山田俊樹、秋葉誠、梶貴博、富成征弘、田中秀吉、岡田佳子、大友明
  • Journal Title: 電子情報通信学会技術研究報告(IEICE Technical Report) Volume: 114 Pages: 33-37
  • Acknowledgement Compliant
• [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 Optics + Photonics 2017
  • Place of Presentation: San Diego Convention Center, San Diego, California, USA
  • Year and Date: 2017-08-06
  • 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（１） (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64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜(神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-14
• [Presentation] Optical-Flow Sensing Characteristics of a Bacteriorhodopsin-Based Bipolar Photosensor Array (2016)
  • Author(s): K. Kasai, H. Hasegawa, T. Yamada, M. Akiba, Y. Tominari, T. Kaji, S. Tanaka, A. Otomo, Y. Okada-Shudo
  • Organizer: 12th International Conference on Nano-Molecular Electronics
  • Place of Presentation: Kobe International Conference Center, Kobe, Japan
  • Year and Date: 2016-12-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Efficient differential photocurrent generation in waveguide-type bacteriorhodopsin photocells (2016)
  • Author(s): T. Yamada, Y. Haruyama, K. Kasai, T. Kaji, Y. Tominari, S. Tanaka, A. Otomo
  • Organizer: 12th International Conference on Nano-Molecular Electronics
  • Place of Presentation: Kobe International Conference Center, Kobe, Japan
  • Year and Date: 2016-12-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Inkjet Printing of Bacteriorhodopsin for Biomimetic Photonic Devices (2016)
  • Author(s): H. Hasegawa, K. Kasai, Y. Tominari, T. Kaji, T. Yamada, S. Tanaka, Y. Okada-Shudo, A. Otomo
  • Organizer: 12th International Conference on Nano-Molecular Electronics
  • Place of Presentation: Kobe International Conference Center, Kobe, Japan
  • Year and Date: 2016-12-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 光受容タンパク質を用いた単純型細胞受容野フィルターによる画像処理 (2016)
  • Author(s): 田邉季正、笠井克幸、岡田佳子
  • Organizer: 日本光学会年次学術講演会
  • Place of Presentation: 筑波大学 東京キャンパス文京校舎（東京都文京区）
  • Year and Date: 2016-10-30
• [Presentation] バクテリオロドプシンを用いた２次元アレイ型バイポーラ光センサーによるオプティカルフロー検出 (2016)
  • 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: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ（新潟県新潟市）
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] 光デバイス作製を指向したインクジェット法によるバイオ材料のパターニング (2016)
  • 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77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ（新潟県新潟市）
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] Optical-Flow Sensing Using a Bacteriorhodopsin-based Bipolar Photosensor Array (2016)
  • Author(s): K. Kasai, Y. Haruyama, T. Yamada, M. Akiba, T. Kaji, Y. Tominari, S. Tanaka, Y. Okada-Shudo, A. Otomo
  • Organizer: OSA Advanced Photonics Congress
  • Place of Presentation: The Fairmont Hotel Vancouver, Vancouver, British Columbia, Canada
  • Year and Date: 2016-07-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fabrication of bacteriorhodopsin (bR) thin films by wire-bar coating technique and evaluation of transient photocurrent response in its bR photocells (2016)
  • Author(s): T. Yamada, Y. Haruyama, K. Kasai, T. Kaji, Y. Tominari, S. Tanaka, A. Otomo
  • Organizer: 9th International Symposium on Organic Molecular Electronics
  • Place of Presentation: TOKIMATE, Niigata University Satellite Campus, Niigata, Japan
  • Year and Date: 2016-05-18
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 導波路型バクテリオロドプシン光応答セルによる時間微分型光応答電流の高効率化 (2016)
  • Author(s): 山田俊樹、春山喜洋、笠井克幸、梶貴博、富成征弘、田中秀吉、大友明
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学大岡山キャンパス（東京都目黒区）
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] バクテリオロドプシン光センサーの時間周波数特性におけるpH緩衝液効果 (2016)
  • Author(s): 宮下一馬、笠井克幸、春山喜洋、岡田佳子
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学大岡山キャンパス（東京都目黒区）
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] 光受容タンパク質を用いた網膜神経節細胞受容野型フィルター素子 (2015)
  • Author(s): 向井貴之、田邉季正、小野田萌、笠井克幸、春山喜洋、岡田佳子
  • Organizer: 日本光学会年次学術講演会
  • Place of Presentation: 筑波大学東京キャンパス文京校舎（東京都文京区）
  • Year and Date: 2015-10-30
• [Presentation] バクテリオロドプシンを用いたオプティカルフローセンシング技術の開発（３） (2015)
  • Author(s): 笠井克幸、春山喜洋、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: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場（愛知県名古屋市）
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] タンパク質を用いた受容野型フィルター素子による画像処理 (2015)
  • Author(s): 向井貴之、本井拓馬、春山喜洋、笠井克幸、岡田佳子
  • Organizer: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東海大学（神奈川県平塚市）
  • Year and Date: 2015-03-13
• [Presentation] バクテリオロドプシンを用いたオプティカルフローセンシング技術の開発（２） (2015)
  • Author(s): 笠井克幸、春山喜洋、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: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東海大学（神奈川県平塚市）
  • Year and Date: 2015-03-11
• [Presentation] バクテリオロドプシン光センサーのpH緩衝液定量 (2015)
  • Author(s): 宮下一馬、田邉秀正、三藤剛、春山喜洋、笠井克幸、岡田佳子
  • Organizer: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東海大学（神奈川県平塚市）
  • Year and Date: 2015-03-11
• [Presentation] Novel Optical-Flow Sensing Method Using Bacteriorhodopsin Wildtype and Its Variant - Insect-Inspired Motion Detection – (2014)
  • Author(s): K. Kasai, Y. Haruyama, T. Yamada, M. Akiba, T. Kaji, Y. Tominari, S. Tanaka, A. Otomo, Y. Okada-Shudo
  • Organizer: 11th International Conference on Nano-Molecular Electronics
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2014-12-18
• [Presentation] Fabrication of high-efficiency light-sensing devices using nanostructured transparent electrodes and bacteriorhodopsin (2014)
  • Author(s): T. Kaji, K. Kasai, S. Inoue, Y. Haruyama, T. Yamada, Y. Tominari, R. Ueda, T. Terui, S. Tanaka, A. Otomo
  • Organizer: 11th International Conference on Nano-Molecular Electronics
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2014-12-18
• [Presentation] Development of UV irradiation pattering of bacteriorhodopsin thin films for biomimetic functional devices (2014)
  • Author(s): Y. Haruyama, K. Kasai, T. Yamada, S. Tanaka, Y. Tominari, T. Kaji, M. Kitamura, A. Otomo
  • Organizer: 11th International Conference on Nano-Molecular Electronics
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2014-12-18
• [Presentation] バクテリオロドプシンを用いたオプティカルフロー検出型視覚機能の構築 (2014)
  • Author(s): 笠井克幸、春山喜洋、山田俊樹、秋葉誠、梶貴博、富成征弘、田中秀吉、岡田佳子、大友明
  • Organizer: 電子情報通信学会 有機エレクトロニクス研究会
  • Place of Presentation: 大阪大学中之島センター（大阪府大阪市）
  • Year and Date: 2014-10-10
• [Presentation] バクテリオロドプシンとナノ構造化透明電極を用いた高効率光センシングデバイスの作製 (2014)
  • Author(s): 梶貴博、笠井克幸、井上振一郎、春山喜洋、山田俊樹、富成征弘、上田里永子、照井通文、田中秀吉、大友明
  • Organizer: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 北海道大学（北海道札幌市）
  • Year and Date: 2014-09-20