自動最適化機能を有するフロー実験システムの迅速構築技術

• Project Area: Digitalization-driven Transformative Organic Synthesis (Digi-TOS)
• Project/Area Number: 21H05216
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 外輪 健一郎 京都大学, 工学研究科, 教授 (00336009)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥50,310,000 (Direct Cost: ¥38,700,000、Indirect Cost: ¥11,610,000); Fiscal Year 2024: ¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000); Fiscal Year 2023: ¥10,530,000 (Direct Cost: ¥8,100,000、Indirect Cost: ¥2,430,000); Fiscal Year 2022: ¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000); Fiscal Year 2021: ¥13,520,000 (Direct Cost: ¥10,400,000、Indirect Cost: ¥3,120,000)
• Keywords: IoT / 自動実験 / 最適化 / 制御システム / フロー合成 / cccc

Outline of Research at the Start

機械学習を利用して有望な有機化学反応を見出す技術が注目されている。これを成功させるには機械学習に用いるデータを収集し、さらに機械学習による予測が有効であることを確認するための実験が欠かせない。ここで必要となる実験点数は多く、化学実験の自動化技術が注目されている。しかし実験の手順や用いる試薬が多様であるため、自動化技術の開発には柔軟性をいかに確保するかが課題となる。本研究ではフロー実験装置の柔軟な組み換えを可能とし、かつ組み換え後に制御・最適化システムを迅速に構築できる技術を開発し、この課題の解決を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

合成実験に要するマンパワー削減のため、自動実験装置の開発を行った。合成実験はいくつかの種類があるが、2021年度は複数条件でのサンプル採取が比較的容易であると考えられるフロー合成実験を対象として検討を行った。自動実験装置は市販されているものもあるが高価であり、また限られた種類の合成にしか対応できない。
本研究では研究開発をすすめるにあたり、化学実験の合成手順が多様であることに注目した。自動実験が広く活用されるためには、安価かつ柔軟性の高い装置の構築が必要である。これを実現するには、必要な実験機器を選択してフロー実験装置を構築したのち、迅速に制御システムを構築できることが重要である。本研究では、市販の理化学機器をIoT化し、それらをネットワークを介して制御する方式が最適と判断し、自動実験システムの開発を進めることとした。まず、実験手順や実験機器などの情報を管理するためのデータベースを設計した。実験機器をIoT化するための通信システムを開発し、さらには多くのIoT化された実験機器を制御するためのサーバーを開発した。
開発したシステムを使って理化学機器の遠隔操作実験を行った。対象の機器としてシリンジポンプおよび恒温槽を取り上げ、IoT化した。開発したシステムを用いて実験機器の遠隔操作試験を行ったところ、良好に動作することが確認された。開発したシステムはロボットアーム等と組み合わせることである程度のバッチ実験にも対応可能と考えられる。

Current Status of Research Progress

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

Reason

開発したシステムを使って、複数の理化学機器を対象に遠隔操作実験を行う予定であった。そのうち納品が遅れた１つの機器を除いて年度内に確認を行うことができた。その結果、本研究の概念に基づく自動実験装置の開発が妥当であると判断された。

Strategy for Future Research Activity

より多くの実験機器をIoT化し、自動実験システムで使用できる機器の種類を増やす。具体的な合成実験を取り上げ、開発したシステムを用いて、複数条件での合成サンプルを採取する自動実験を行って、有効性を検証する。