2013 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | Development of Molecular Robots equipped with sensors and intelligence |
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| Project/Area Number |
24104005
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
萩谷 昌己 東京大学, 情報理工学(系)研究科, 教授 (30156252)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
村田 智 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10334533)
浅沼 浩之 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20282577)
菅原 研 東北学院大学, 教養学部, 教授 (50313424)
有村 隆志 独立行政法人産業技術総合研究所, ナノシステム研究部門, 上級主任研究員 (50344221)
宮元 展義 福岡工業大学, 工学部, 准教授 (80391267)
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| Project Period (FY) |
2012-06-28 – 2017-03-31
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| Keywords | 分子ロボティクス / ナノマシン / ナノバイオ / ナノ材料 / ソフトコンピューティング / 知能ロボティクス |
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| Research Abstract |
(1)システム設計：スライムロボットの本体となるゲルの物性をモデル化するために、DNA鎖のゲル内拡散定数やハイブリダイゼーション効率などについて、定量的に測定する方法を確立した（村田）。シンプルな仕組みを有する群ロボットシステムをシミュレーションベースで検討した。簡単な場と力学的な相互作用を導入することで搬送、選別、マニピュレーションなどが可能になることを示した（菅原）。反応拡散場を離散化したモデル「ゲルオートマトン」を提案した。これはゲルと溶液の混合系として両者の利点を併せ持っており、スライム型ロボットの本体として有望と考えられる（萩谷）。
(2)反応拡散場の実装：村田の協力と川又の努力のもとに、DNAを架橋とするアクリルアミドゲルを用いてゲル塊を片側から成長させ逆側から分解する実験を行い、分解には成功した。ゲル空間における情報処理に関しては、上記のゲルオートマトンを提案し、その実装のための基礎実験（ゲル壁の分解と構築）を行った（萩谷）。知能班の藤本の開発した光応答性人工塩基cnvKを組み込んだDNAゲルモチーフを作製し、光によるゾル―ゲル相転移性能を評価した（村田）。
(3)ゲルアクチュエータの開発：50μm以上の光応答性球状DNAゲルを開発し、3－4分程度で完全崩壊させることに成功した（目標は秒オーダ）（浅沼）。配向を電場とせん断場によって精密制御した有機色素/無機ナノシート液晶/感熱性高分子複合ゲルを合成し、その異方的変形特性を明らかにした。さらに、構造色、蛍光性、高速の大変形特性をもつ新規無機ナノシート液晶を合成し、その特性を明らかにした（宮元）。鉄錯体・フェロインを触媒とするＢＺ反応駆動ポリマーゲルの創製に成功した。このゲルは7分周期、7％の伸縮を示し、一次元方向への若干の移動も観察された。さらに、ポルフィリン誘導体がBZ反応を制御することを明らかにした（有村）。
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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
(1)システム設計：ゲルアクチュエータのモデル化に必要なパラメータの取得手法を確立したところであるが、実験系の研究をサポートできるシミュレーション環境を開発はまだこれからである。一方、多数の単純なロボットからなる系の応用例をいくつか具体的に示すことはできている（村田・菅原）。
(2)反応拡散場の実装：スライム班の短期目標として設定した「一次元ゾル空間の中のゲル化部分の運動（遷移）を分子計算で制御する」に対して、一方から重合（成長）し、一方から脱重合（分解）するゲルを構想した。分解は達成できたものの、成長はまだ道半ばである。重合と脱重合の同時進行は、分子ロボットのアクチュエーションにとって基本的な課題である。今年度は何としても進展させたい。そのために、架橋が枝分かれして成長するDNAハイドロゲルを構想している（萩谷）。光応答塩基を用いたゾル―ゲル相転移については早急に論文にまとめたい（村田）。
(3)ゲルアクチュエータの開発：UV光および可視光照射で崩壊する球状マイクロゲルに薬物モデルとして蛍光色素標識したビオチンを担持させ、光照射で放出させることに成功した（浅沼）。一方，光や熱の刺激に応答し、異方性伸縮や異方的物質輸送特性を有する無機有機複合ゲルの合成手法を確立した。微量の情報物質（ss-DNA）への応答や、システムとしての組み上げ、ゲルの状態をフィードバックする機構などは今後の課題である（宮元）。また，触媒として安価なフェロインを用いることによりBZ反応駆動ポリマーゲルを膨潤収縮させることに成功するとともに、特定の入力信号を捕捉するインターフェースをポリマーゲルに担持させることに成功した。自律振動反応に伴うポリマーゲルの運動は観察されたが、異方的運動特性を見出すには至っておらず、さらなる検討が必要である（有村）。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1)システム設計：スライムロボットの全体挙動を表現できるモデルについて、必要なパラメータを実験的に取得しつつ、構築を進めたい。その上で、やや抽象的なレベルでのモデル化とその応用も検討する。また、引き続き複数のロボットに期待できる応用例について具体的な例を提示していく（村田・菅原）。また、引き続きゲルオートマトンに関して、計算モデルとしての分析、設計手法の開発、各種の拡張などを行う（萩谷）。
(2)反応拡散場の実装：引き続き、成長するゲル塊の設計と実装を行う。ゲルオートマトンの実装においても、引き続き必要な実験を行う（萩谷・村田）。
(3)ゲルアクチュエータの開発：温度・光量を最適化することで秒オーダーでのゲルの崩壊を実現し、さらにUV光と可視光の同時照射に伴うゲルの崩壊と形成を利用することで、可視光走光性DNAゲルの実現を目指す（浅沼）。一方、光応答性異方性ナノシート液晶/高分子複合ゲルの技術を発展させ、マイクロ流路技術、無機結晶アクチュエーター、振動反応の組み込みなどによって、自立的に移動するゲルの設計・作成をめざす。また、新しい試みとして、DNAゲート型無機多孔質物質による信号増幅機構を内包したゲル合成を試みる（宮元）。また、自律振動の方向性が制御された分子組織を設計し、一次元反応場でクリープ移動可能なゲル物質を合成する。環境・入力信号を認識するインターフェースを有し、 自律運動特性を自在に変化することが可能な自立型ソフトマテリアルの合成・物性評価を行う。具体的には、特定のDNA信号を補足するインターカレータを有するＢＺ反応駆動ハイブリッドゲルの分子設計・精密合成を行い、化学反応場とマクロな運動との相関性を明らかにする(有村)。
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Research Products
(121 results)
