2015 Fiscal Year Annual Research Report
DNA計算による制御系設計法の構築と制御系設計支援ツールの開発
Publicly Offered Research
| Project Area | Development of Molecular Robots equipped with sensors and intelligence |
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| Project/Area Number |
15H00823
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| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
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Principal Investigator |
中茎 隆 九州工業大学, 大学院情報工学研究院, 准教授 (30435664)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 分子ロボティクス / フィードバック制御系 / 安定性解析 / DNA論理回路 / DNAアナログ回路 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、分子ロボットへの実装を考え、DNA反応系で実現可能な制御系の設計論・設計法の構築、生化学反応系の安定性解析手法・ロバスト性解析手法の構築、DNA回路の大規模化に向けてのモジュール性解析を行う。平成２７年度は交付申請書で掲げた課題を含む以下の４つの課題に取り組んだ。
１）DNA計算による積分制御系の設計法の構築：特定の分子の濃度を目標レベルに一致させる積分制御系をDNA反応系で構築した。細胞内シグナル伝達系において発見されている走化性に係る積分制御系の構造を模倣したDNA反応系による積分制御系を提案した。数値シミュレーションにより提案手法の妥当性を確認した。
２）生化学反応系におけるP制御系の設計論とDNA計算による設計法の構築：産業用制御器のスタンダードであるPID制御器の分子ロボティクス版の確立を目指し、DNA反応系で実現されるP（比例）制御系の設計法について検討した。比例制御と類似の機能を有する制御器の設計には成功したものの、理想的なP制御との理論的差異の考察など、理論面において未完成の部分が残っているため、引き続き検討を続けている。
３）DNA反応系の安定性解析手法、ロバスト性解析手法の構築：分子ロボットの制御系設計の際に必須となる安定性解析、ロバスト性解析ツールを構築した。安定性解析はナイキストの安定判別法をベースとしており、安定余裕（ゲイン余裕と位相余裕）をロバスト性の指標として算出することができる。
４）DNA回路における論理回路、アナログ回路のモジュール性の検討：DNA反応系で実現される論理回路、アナログ回路のモジュール性について、遡及性理論を用いた解析を行い、一定の成果を得ている。
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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
上記「研究実績の概要」において示した各項目について説明する。
１）DNA計算による積分制御系の設計法の構築：設計手法の構築と数値シミュレーションによる確認は完了しており、研究開始期間前に査読付き国際会議論文として発表している。現在、設計手法をブラッシュアップし、学術論文への投稿を目指して検討を続けている。
２）生化学反応系におけるP制御系の設計論とDNA計算による設計法の構築：研究実績の概要で述べたように、理論的に未解決な問題が残されているものの、P制御と類似の機能を持つ制御系が得られており、途中の進捗状況を国内学会において発表している。
３）DNA反応系の安定性解析手法、ロバスト性解析手法の構築：安定性解析手法の構築は完了し、ソフトウェア化に向けたアルゴリズム設計もほぼ完了している。安定性解析手法に関しては、学術論文が採択されている。ソフトウェア化に関しては、途中経過を、研究期間開始前に査読付き国際会議論文として発表している。
４）DNA回路における論理回路、アナログ回路のモジュール性の検討：本検討結果は、国内学会発表、国際会議でのポスター発表を行っている。特に、国内発表においては、賞を受賞している。
以上の理由により、おおむね順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
上記「研究実績の概要」において示した各項目について説明する。
１）DNA計算による積分制御系の設計法の構築：現在、設計理論と数値シミュレーション結果をまとめて、学術論文への投稿を目指している。
２）生化学反応系におけるP制御系の設計論とDNA計算による設計法の構築：平成28年度の検討課題としては、最も重点を置く予定である。研究計画では、P制御回路が確立した後に、PI制御回路、PID制御回路の検討に進む予定である。PI制御回路は、P制御回路と(1)の積分制御回路と融合させることを考えている。一方で、PID制御回路に関しては、D動作（微分動作）をどのようにDNA反応系上で実現するかが最大のポイントとなる。
３）DNA反応系の安定性解析手法、ロバスト性解析手法の構築：安定性解析手法に関する学術論文は投稿済みであるため、一定の結果は得られている。
４）DNA回路における論理演算回路、アナログ回路のモジュール性の検討：平成27年度は、特定のDNA論理回路やDNAアナログ回路のモジュール性解析を行い、一定の成果を得たが、「どのように設計することでDNA反応系のモジュール性は保証されるのか？」という設計の一般論の提案には至っていない。平成28年度は、この点について検討を行い、結果を得たいと考えている。
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