| 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 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 触媒化学融合研究センター, 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)
原 雄介 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 機能化学研究部門, 主任研究員 (90452135)
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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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| Outline of Annual Research Achievements |
(1)システム設計 萩谷:ゲルオートマトンの計算能力に関する研究を継続し,ゲル壁が溶解・再構築を繰り返すタイプのゲルオートマトンによって任意のブロックセルオートマトンが実装できることを示した.分子ロボットのハイブリッドコントローラの設計を行った.菅原:単純なダイナミクスを組み込んだ群ロボットの集団的な振る舞いについて検討し，集団の一部のロボットや壊れているロボットを環境改変に活用することで集団としての合理的な行動ができる仕組みを提案した.
(2)反応拡散場の実装 村田:マクロなゲルオートマトン上で1ステップの論理演算の実装に成功した.一次元空間において,ゲルーゾル,ゾルーゲル相転移の制御により,ゲル部分を平行移動させる(短期目標)を達成した.有村・萩谷:一本鎖DNAを信号分子として内包したメゾスケールビーズを自己組織化させ,隣接ビーズ間での通信に成功した.宮元:ゲルオートマトン作成のため，マイクロ流路法によるゲル微粒子合成手法を確立した.30~300μmの粒径の単分散ゲル微粒子が得られ,ナノシートの内包にも成功した.原:外部刺激によりサイズや網目密度を変えるゲルビーズを目指して,外場の温度変化に応答して膨潤収縮起こすNIPAAmを主鎖とする1㎜以上のゲルビーズの合成検討を行った.
(3)ゲルアクチュエータの開発 有村:拡散速度を光によって制御可能なゲルアクチュエータの分子設計に成功し,光刺激に対応して分子拡散性が変化することを見出した.浅沼:名大岸田教授との共同研究で,800 nmのパルスレーザーを用いた二光子励起により,可視光応答型アゾベンゼンのシス体への異性化を実現した.また,ゲルオートマトン実装のための人工核酸の合成,およびDNAと直交する人工核酸を用いた論理ゲートを実現した.宮元:無機/高分子複合型異方性ゲルアクチュエータの合成法を改善し,7cm四方の大型ゲルシートや,非対称な配向を導入したゲルの合成,様々な形状を持つゲルの合成が可能となった.
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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
(1)システム設計 萩谷・村田:ゲル壁を信号DNAが拡散するタイプのゲルオートマトンの計算能力に関する研究を進めた.萩谷:ゲルオートマトンによる学習の可能性について検討し,ニューラルネットワーク等に応用するべく,セル間の経路形成の分散アルゴリズムを開発している.菅原:ロボット集団としての合理的な行動ができる仕組みについて,シミュレーションによる定量的な解析と実機による小規模な実験を行った.
(2)反応拡散場の実装 村田:マクロゲルオートマトンにおいて,望まない核酸により論理演算のカスケードがうまく働かない問題があり,反応系の単純化および非拡散分子のセルへの固定法の開発に取り組んでいる.有村:DNAの拡散速度と分子構造の相関を明らかにすることが課題である.宮元:マイクロ流路システムの立ち上げに時間を要したが，ゲル微粒子合成が成功し,おおむね計画通り進んでいる.原:外温度刺激に応答する1㎜以上のゲルビーズの開発を,NIPAAmを主鎖とするポリマー鎖で検討している.pHや温度条件によって後架橋が可能な部位を共重合することにより,直接ゲル化が可能となる条件を見出した.本方法を応用した遠心分離法によるゲルビーズの作製法を検討している.
(3)ゲルアクチュエータの開発 有村:光制御可能なゲルアクチュエータの分子設計・合成には成功したが,異方性を見出すには至っておらず,更なる検討が必要である.浅沼:ミリメートルサイズの光応答性ゲルではtrans-アゾベンゼンの吸光度が大きすぎるため光が透過しない問題は,パルスレーザーによる二光子励起により解決の道筋が見えた.開発した人工核酸で,DNAと同等の分子マシンおよび論理ゲートを設計できることを実証した.宮元:DNAゲート型無機多孔体の合成に一部成功したが,これを利用した分子情報増幅機構を持つゲル合成は今後の課題である.形状や配向の無機/高分子複合型異方性ゲルが作成できることが実証され,ゲルロボットを作製する準備が整った.
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| Strategy for Future Research Activity |
(1)システム設計 萩谷・村田:ゲルオートマトンの計算能力に関する研究をもとに,DNA反応系の設計を進める.萩谷:セル間の経路形成の分散アルゴリズムの開発を進め,シミュレーションによってその動作を検証した後,DNA反応系の設計を行う.
(2)反応拡散場の実装 菅原:環境・ロボット・情報が不可分の関係にある分子ロボットの基本概念をマクロな系で模擬的に示す.シミュレーションによる比較的大きな規模での評価と,小規模な実機システムによる定性的な振る舞いの検証を行う.村田:迷路問題を解くマクロゲルオートマトンの実装を行い,デモンストレーションを行う.ミクロモデルの演算についても宮元と協力して実験を進める.有村・萩谷:メゾスケールでのゲルビーズの離散化を行い,DNA反応系を用いた分子相互通信反応によるゲルオートマトンプロトタイプの実装を行う.同時に,拡散係数の光制御も達成する.宮元:種々のゲル微粒子とゲルカプセルを合成し,これを集積化する.マイクロゲル粒子には,村田らが開発した演算用の複数のDNAを包含させ,ゲルオートマトンのデモンストレーションを試みる.原:DNA等の外部刺激に応答して膨潤収縮を行うことが可能なゲルビーズの開発を目指し,少量の外部刺激で体積膨潤率が20％以上達成可能なゲルの開発を目標とする.また,高速駆動の仕組みも検討する.
(3)ゲルアクチュエータの開発 有村:特定の光信号によりオンオフ駆動可能なゲルアクチュエータの設計・合成を行い,動的異方性を発現させる.浅沼:マーラス型のゲルオートマトンの実装のために,DNA(RNA)入力により体積が1.5倍増加する人工核酸ゲルの合成に注力する.具体的にはSNA(あるいはL-aTNA)の液相大量合成法を確立し,SNA二重鎖を架橋部位に持つアクリルアミドゲルを合成する.宮元:昨年までに開発した無機/高分子複合型異方性ゲルアクチュエータを改良し,ゲルロボットの実装実験を行う.
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| Remarks |
本研究に関連した受賞: 浅沼浩之 平成27年度高分子学会賞 「非環状型人工核酸による光機能性ナノマテリアルの創製」
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