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2021 Fiscal Year Annual Research Report

ラボオンチップ向けの設計理論の確立と実用的な設計自動化システムの開発

Research Project

Project/Area Number 20H04160
Allocation TypeSingle-year Grants
Research InstitutionRitsumeikan University

Principal Investigator

山下 茂  立命館大学, 情報理工学部, 教授 (30362833)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 冨山 宏之  立命館大学, 理工学部, 教授 (80362292)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2025-03-31
Keywordsラボオンチップ / MEDA / DMFB / PMD / 操作エラー / タスクスケジューリング
Outline of Annual Research Achievements

DMFBで液滴の分割を行う時に操作誤差が発生する場合がある。この誤差に対応する一般的な方法は、許容できない分割エラーが起こった場合に再度混合と分割を繰り返すか、もしくは、同じ濃度の液滴を複数余分に作成して、それらを混合することでエラーの影響を少なくするという方法が主流である。これらと異なる考え方に基づいて、途中で複数の液滴が使用される場合にその組み合わせ方を工夫するだけで、エラーの影響を少なくすることができる手法を考案した。この手法は、混合操作の回数や使用する液滴を全く増やすことなく、また従来の手法とも併用可能な手法である。
MEDAを対象とした液滴のルーティング手法を開発した。異なる2種類の液滴が入力され、それぞれ決められた比率で2つの液滴に分離した後、種類の異なる2つの液滴を混合する。この一連の操作に必要な面積が最小となるような液滴のルーティング(移動経路)を、整数計画法により求める手法を開発した。従来の手法と比較して、ルーティングに必要な面積を約4割削減することができた。
PMDにおいて、混合回数が2回で任意の比率の試薬を合成できるDATSと呼ぶアルゴリズムを開発した。また、少しの誤差を許して所望の濃度を達成するヒューリスティックであるDARDAと呼ぶ手法も考案した。また、シミュレーションによりDARDAは、混合時間、必要なセル数、合成濃度の誤差において従来の手法よりも優れていることを示した。
バイオチップの液滴ルーティングやスケジューリングの研究を、他分野に応用した。具体的には、荷物配送ドローンのルーティング、マルチコア上でのタスクスケジューリング、回路の高位合成における演算スケジューリングに応用し、それぞれの分野で成果を得た。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の予定通り操作エラーに対する新しい手法を考案することができ、また,関連するラボオンチップに関する様々な研究やタスクスケジューリングに関する研究が順調に進展しているため。

Strategy for Future Research Activity

今までと大きな方針は変えずに、次世代の大規模なラボオンチップをエラーも考慮して効率的に使いこなす設計手法を確立するための要素技術の取得を目指して、以下の項目の研究を進める。① 今までに検討を進めたDMFBにおいて途中で複数の液滴が使用される場合の組み合わせ方を工夫するだけでエラーの影響を減少できる手法について、実際に多くの希釈グラフに適用してその効果を検証する。② 今までに開発したPMD向けの試薬合成アルゴリズムは混合ステップ数を少なくできるが、使用するPMDのセル数が多くなる傾向がある。そのため今後はセル数を少なくする手法についても検討する。③ 今までにMEDAにおける様々な状況における効率的なルーティングやスケジューリング手法の開発を行ってきた。今後は、今までにまだ対応できていない、より複雑な状況にも対応できる手法の検討を行う。④ 今までバイオチップに限らず一般的なチップを対象として、計算資源の使用量を最適に決定するタスクスケジューリング手法を開発している。それらの開発したスケジューリング手法をバイオチップの設計に応用することを検討する。⑤ 上記以外に、ラボオンチップの設計手法に関しての研究動向を調査して、新規の研究テーマを見つけて研究を進める。

  • Research Products

    (16 results)

All 2022 2021

All Journal Article (9 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 9 results,  Open Access: 3 results) Presentation (7 results)

  • [Journal Article] Load and Wind Aware Routing of Delivery Drones2022

    • Author(s)
      Satoshi Ito, Keishi Akaiwa, Yusuke Funabashi, Hiroki Nishikawa, Xiangbo Kong, Ittetsu Taniguchi and Hiroyuki Tomiyama
    • Journal Title

      Drones

      Volume: 6 Pages: -

    • DOI

      10.3390/drones6020050

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Simultaneous Scheduling and Core-Type Optimization for Moldable Fork-Join Tasks on Heterogeneous Multicores2022

    • Author(s)
      Hiroki Nishikawa, Kana Shimada, Ittetsu Taniguchi, Hiroyuki Tomiyama
    • Journal Title

      IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics, Communications and Computer Sciences

      Volume: E105-A Pages: 540-548

    • DOI

      10.1587/transfun.2021VLP0003

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] An ILP-based Approach to Delivery Drone Routing under Load-dependent Flight Speed2022

    • Author(s)
      Mao Nishira, Satoshi Ito, Hiroki Nishikawa, Xiangbo Kong, Hiroyuki Tomiyama
    • Journal Title

      2022 International Conference on Electronics, Information, and Communication

      Volume: - Pages: 497-500

    • DOI

      10.1109/ICEIC54506.2022.9748803

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Energy-aware Routing of Delivery Drones under Windy Conditions2021

    • Author(s)
      Satoshi Ito, Hiroki Nishikawa, Xiangbo Kong, Yusuke Funabashi, Atsuya Shibata, Shunsuke Negoro, Ittetsu Taniguchi and Hiroyuki Tomiyama
    • Journal Title

      IPSJ Transactions on System LSI Design Methodology

      Volume: 14 Pages: 30-39

    • DOI

      10.2197/ipsjtsldm.14.30

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Heuristic Algorithms for Dynamic Scheduling of Moldable Tasks in Multicore Embedded Systems2021

    • Author(s)
      Takuma Hikida, Hiroki Nishikawa, Hiroyuki Tomiyma
    • Journal Title

      International Journal of Reconfigurable and Embedded Systems

      Volume: 10 Pages: 157-167

    • DOI

      10.11591/ijres.v10.i3.pp157-167

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Scheduling with Variable-Cycle Approximate Functional Units in High-Level Synthesis2021

    • Author(s)
      Koyu Ohata, Kenta Shirane, Hiroki Nishikawa, Xiangbo Kong, Hiroyuki Tomiyama
    • Journal Title

      2021 18th International SoC Design Conference

      Volume: - Pages: 57-58

    • DOI

      10.1109/ISOCC53507.2021.9613852

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] High-Level Synthesis of Approximate Computing Circuits with Dual Accuracy Modes2021

    • Author(s)
      Kenta Shirane, Hiroki Nishikawa, Xiangbo Kong, Hiroyuki Tomiyama
    • Journal Title

      2021 18th International SoC Design Conference

      Volume: - Pages: 369-370

    • DOI

      10.1109/ISOCC53507.2021.9614001

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Minimization of Routing Area in MEDA Biochips2021

    • Author(s)
      Chiharu Shiro, Hiroki Nishikawa, Xiangbo Kong, Hiroyuki Tomiyama, Shigeru Yamashita
    • Journal Title

      2021 IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.1109/BioCAS49922.2021.9645003

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Design for Restricted-Area and Fast Dilution using Programmable Microfluidic Device based Lab-on-a-Chip2021

    • Author(s)
      Shuaijie Ying, Sudip Roy, Juinn-Dar Huang, Shigeru Yamashita
    • Journal Title

      24th Euromicro Conference on Digital System Design (DSD)

      Volume: - Pages: 484-494

    • DOI

      10.1109/DSD53832.2021.00079

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 高位合成における可変サイクル近似演算のヒューリスティックスケジューリングアルゴリズム2022

    • Author(s)
      大幡孝融, 西川広記, 孔祥博, 冨山宏之
    • Organizer
      電子情報通信学会VLD/HWS研究会
  • [Presentation] 高位合成における可変サイクル近似演算のスケジューリング2021

    • Author(s)
      大幡孝融, 白根健太, 西川広記, 孔祥博, 冨山宏之
    • Organizer
      回路とシステムワークショップ
  • [Presentation] MEDAバイオチップにおける使用面積の最小化2021

    • Author(s)
      城千春, 西川広記, 孔祥博, 冨山宏之, 山下茂
    • Organizer
      回路とシステムワークショップ
  • [Presentation] 荷重により速度変化する荷物配送ドローンの経路計画に対する近似解法2021

    • Author(s)
      西羅真央, 伊藤哲, 西川広記, 孔祥博, 冨山宏之
    • Organizer
      情報処理学会組込みシステム研究会
  • [Presentation] 荷重と風による飛行速度の変化を考慮したドローン配送計画2021

    • Author(s)
      伊藤哲, 赤岩慧士, 舟橋勇佑, 西川広記, 孔祥博, 谷口一徹, 冨山宏之
    • Organizer
      電子情報通信学会VLD/DC/RECONF/ICD/情報処理学会SLDM研究会
  • [Presentation] Digital Microfluidic Biochipにおけるエラー同士の相殺を利用したエラー訂正手法2021

    • Author(s)
      和田有史, 山下茂
    • Organizer
      電子情報通信学会VLD研究会
  • [Presentation] 拡張ネットワークフローモデルの最適な階層数を求める手法2021

    • Author(s)
      石田滉, 山下茂
    • Organizer
      電子情報通信学会VLD研究会

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Published: 2023-12-25  

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