2015 Fiscal Year Annual Research Report
知能分子ロボット実現に向けた化学反応回路の設計と構築
| Project Area | Development of Molecular Robots equipped with sensors and intelligence |
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24104003
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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Principal Investigator |
小林 聡 電気通信大学, 情報理工学(系)研究科, 教授 (50251707)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山下 雅史 九州大学, システム情報科学研究科(研究院, 教授 (00135419)
小宮 健 東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 助教 (20396790)
藤本 健造 北陸先端科学技術大学院大学, マテリアルサイエンス研究科, 教授 (90293894)
鈴木 泰博 名古屋大学, 情報科学研究科, 准教授 (50292983)
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| Project Period (FY) |
2012-06-28 – 2017-03-31
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| Keywords | 分子ロボット / DNAコンピュータ / 自己組織化 / 知能ロボティクス / 生体生命情報学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
回路素子の高性能化と新しい計算モデルに関する研究の進展と同時に，開発した素子を他班と連携しながら統合化・システム化することを試みた．
DNA鎖置換反応の高速化に関しては，異なる加速効果を有する３種類の光応答性塩基の作成に成功した．またこれらの人工塩基とそれに結合する相補鎖の水素結合様式に応じて異なる加速効果が得られることを見出した．例えばシトシンへの光操作において通常相補塩基はグアニンであるが、イノシンやアミノプリンに変換することでDNA鎖置換反応を３倍から５倍程度高速化させることに成功した．Time-responsive なアナログ回路の設計方法については，一般の化学反応系に一般化して議論し，加算・乗算・除算のみからなる回路の「標準形」を導入することにより，その設計が容易になるという見通しを得た．スライム班との連携により，反応回路のハイブリッド性も重要であるとの知見も得た．
また，感覚班との連携により，感覚と知能の機能要素を統合した分子ロボットのプロトタイプを設計した．具体的には，センサーとしてのDNAナノ構造体をロボット躯体であるベシクル表面に提示し，外部環境の刺激をセンサーが受け取ると，ベシクル内部に情報を伝達して化学反応回路が駆動し，ロボットプロトタイプが動作する設計である．
新しい計算モデルを探求するために，反応中間体を介した分子反応系の安定性を数理的に示し，この性質を有する自己維持的な反応系を作成した．またノイズ条件下の環境に適応し分子を選択して反応を続けることが可能な系の予備実験を行った．また，自律分散システム論の立場から，分子ロボット群の理論解析も行った．自己組織化を実現するためには，匿名性，無記憶性，ランダム性が重要であることを示した．また，感覚班の瀧ノ上のビーズの抽象モデルとみなせる個体群プロトコルを用いて，自励振動の発現について興味深い理論的成果を得た．
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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
回路の高性能化に関しては，３種類の新しい光応答性塩基を開発することに成功しているだけでなく，相補鎖の塩基との水素結合様式により，様々な加速効果が得られることを見出している．これは，加速効果の多様性を利用した計算モデルの可能性も示唆しており，重要な研究の進展である．また，Time-responsive なアナログ回路の設計に関しても，従来の化学反応ネットワークの設計で必要となる難しい反応パラメータの調整の問題に関して，回路の標準形を考えることにより設計が容易になるという見通しを得ており，十分な研究の進展が得られている．
また，他班との連携による回路素子のシステム化に関しては，分子ロボットが外部刺激を受容してマクロな応答動作をする上で必須となる，機能要素間での分子濃度のギャップを克服するDNAシグナル等温増幅回路について，非特異反応の抑制を実現した．この成果により，センサーと化学反応回路を統合したプロトタイプを設計通り動作させる目処がつき，おおむね当初の計画通りに研究が進展している．
新しい計算モデルの探求については，感覚班から異動した鈴木の貢献により，鎖置換反応を利用した自己維持的な化学反応系の設計と実装に着手できており，自律分散システム論の立場からも，山下らにより理論的に極めて興味深い成果を得ている．また，スライム班との連携により，化学反応回路のハイブリッド性が重要であるとの知見も得ており，新しい計算モデルや理論への展開が大いに期待できる状況になっている．
以上を総合して，２０１５年度の研究計画はおおむね順調に進展していると考える．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は最終年度ということで、回路の高性能化や計算モデルの構築、センサーやアクチュエータとのインタフェースの開発などの研究を班内の連携で進展させるだけでなく，分子ロボットの設計論の構築と実装に向けて，他班との連携を一層強く推進することを目指す．
回路の高速化に関しては，これまで開発した人工光応答性塩基群と相補鎖塩基の組み合わせで，５０種類以上の異なったDNA鎖交換加速性能を有するライブラリーを作成し、各種論理計算を行う．班内の情報系と実験系の研究者の連携により，蛍光測定によるDNA鎖交換反応の実測データと光架橋による高速化DNA鎖交換反応の数値シミュレーションを比較検討することにより，更なる研究の進展を目指す．
分子ロボットの実機作製に関しては，これまでに構築したDNAシグナル等温増幅回路をベシクル内で機能させ，分子ロボットのプロトタイプによる光応答動作を実現する．さらにアメーバ班とも連携して分子モータも導入し，本領域の最終目標である，全機能要素（感覚・知能・アクチュエータ）を統合したアメーバ型分子ロボットの構築に取り組む．
新たな計算モデルの提案とそれによる解析に関しては，自己維持的な化学反応系の設計と構築や，自律分散システム論的な理論解析を進めるだけでなく，スライム班や感覚班等の他班との連携により，学習能力などのより高度な知能を備えた分子ロボットの設計と構築に向けた議論を展開し，領域全体として将来の知的分子ロボット群の計算モデルを提案することを目指す．
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Research Products
(23 results)
