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スマートマテリアルのための有機(バイオ)マイクロロボット

研究課題

研究課題/領域番号 19F19722
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分外国
審査区分 小区分62010:生命、健康および医療情報学関連
研究機関お茶の水女子大学

研究代表者

オベル加藤 ナタナエル  お茶の水女子大学, 基幹研究院, 助教 (10749659)

研究分担者 CAZENILLE LEO  お茶の水女子大学, 基幹研究院, 外国人特別研究員
研究期間 (年度) 2019-04-25 – 2021-03-31
研究課題ステータス 完了 (2020年度)
配分額 *注記
2,300千円 (直接経費: 2,300千円)
2020年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
2019年度: 1,200千円 (直接経費: 1,200千円)
キーワードMolecular robotics / Swarm robotics / Molecular programming / Evolutionary robotics / Quality-diversity / MAP-Elites / Biochemical-micro-robots / Surrogate models / Reaction-diffusion
研究開始時の研究の概要

We use evolutionary optimization methods and quality-diversity algorithms to design controllers for a swarm of bio-micro-robots. The robots are made of simple beads coated with DNA, which implements both the controller through reaction-diffusion and an anchoring scheme, allowing self-assembly.
Designing appropriate DNA-based chemical reaction networks to serve as robotic controllers is a challenging problem involving non-linear dynamics and high experimental variability. The algorithms selected for this project will allow us to explore the dynamics and trade-offs available to this approach.

研究実績の概要

Our aim was to design controllers for self-organizing swarms of micro-robots with specific collective dynamics emerging from local interactions. In particular, we focused on large robotic swarms with millions micrometer-sized micro-robots composed of sepharose beads controlled through the reaction-diffusion dynamics of DNA strands grafted into the robots. We extended the methodology implemented the previous year to automatically design these DNA-based controllers, by using optimization and quality-diversity algorithms and testing promising solutions in simulations. However this approach was especially computationally expensive, in particular because of the complex reaction-diffusion simulations involved. As such, we presented a new method to improve the computational efficiency of such simulations using GPUs with the CUDA framework (paper "Accelerating the Finite-Element Method for Reaction-Diffusion Simulations on GPUs with CUDA"). Another limitation of our methodology to automatically design robot controllers was that the user previously had to manually provide scores ("feature descriptors") quantifying how diverse the tested solutions were, a typical aspect of quality-diversity algorithms. We described a new methodology to find automatically these diversity scores for a target problem (paper "Ensemble Feature Extraction for Multi-Container Quality-Diversity Algorithms").

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 研究成果

    (17件)

すべて 2021 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (9件) (うち国際共著 9件、 査読あり 9件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 6件)

  • [国際共同研究] ISIR, Sorbonne Universite(フランス)

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [雑誌論文] Ensemble Feature Extraction for Multi-Container Quality-Diversity Algorithms2021

    • 著者名/発表者名
      Cazenille Leo
    • 雑誌名

      Proceedings of the 2021 Genetic and Evolutionary Computation Conference

      巻: GECCO 2021

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Temperature-based inputs for molecular reservoir computers2020

    • 著者名/発表者名
      Lobato-Dauzier Nicolas、Cazenille Leo、Fujii Teruo、Genot Anthony、Aubert-Kato Nathanael
    • 雑誌名

      ALIFE 2020: The 2020 Conference on Artificial Life

      巻: 32 ページ: 420-422

    • DOI

      10.1162/isal_a_00293

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Accelerating the Finite-Element Method for Reaction-Diffusion Simulations on GPUs with CUDA2020

    • 著者名/発表者名
      Sellami Hedi、Cazenille Leo、Fujii Teruo、Hagiya Masami、Aubert-Kato Nathanael、Genot Anthony J.
    • 雑誌名

      Micromachines

      巻: 11 号: 9 ページ: 881-881

    • DOI

      10.3390/mi11090881

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Designing Dynamical Molecular Systems with the PEN Toolbox2020

    • 著者名/発表者名
      Aubert-Kato Nathanael、Cazenille Leo
    • 雑誌名

      New Generation Computing

      巻: 38 号: 2 ページ: 341-366

    • DOI

      10.1007/s00354-020-00089-w

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Exploring the BipedalWalker benchmark with MAP-Elites and Curiosity-driven A3C2020

    • 著者名/発表者名
      Gupta V., Aubert-Kato N., Cazenille L
    • 雑誌名

      InProceedings of the Genetic and Evolutionary Computation Conference Companion 2020

      巻: 2020

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Using map-elites to optimize self-assembling behaviors in a swarm of bio-micro-robots2019

    • 著者名/発表者名
      Cazenille L, Bredeche N, Aubert-Kato N
    • 雑誌名

      InSWARM 2019: The 3rd International Symposium on Swarm Behavior and Bio-Inspired Robotics 2019

      巻: 2019

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Hearing the shape of a chemical reactor with a deep network of swarms2019

    • 著者名/発表者名
      Lobato-Dauzier N, Cazenille L, Aubert-Kato N, Vlandas A, Fujii T, Genot A
    • 雑誌名

      InSWARM 2019: The 3rd International Symposium on Swarm Behavior and Bio-Inspired Robotics 2019

      巻: 2019

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Exploring Self-Assembling Behaviors in a Swarm of Bio-micro-robots using Surrogate-Assisted MAP-Elites2019

    • 著者名/発表者名
      Cazenille Leo、Bredeche Nicolas、Aubert-Kato Nathanael
    • 雑誌名

      2019 IEEE Symposium Series on Computational Intelligence (SSCI)

      巻: 2019 ページ: 238-246

    • DOI

      10.1109/ssci44817.2019.9003047

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Comparing reliability of grid-based quality-diversity algorithms using artificial landscapes2019

    • 著者名/発表者名
      Cazenille Leo
    • 雑誌名

      GECCO '19: Proceedings of the Genetic and Evolutionary Computation Conference Companion

      巻: 2019 ページ: 249-250

    • DOI

      10.1145/3319619.3321895

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Molecular programming of swarms for ALife2020

    • 著者名/発表者名
      Cazenille L, Lobato-Dauzier N, Aubert-Kato N
    • 学会等名
      ALIFE 2020: The 2020 Conference on Artificial Life
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Temperature-based inputs for molecular reservoir computers2020

    • 著者名/発表者名
      Lobato-Dauzier, N., Cazenille, L., Fujii, T., Genot, A., & Aubert-Kato, N.
    • 学会等名
      ALIFE 2020: The 2020 Conference on Artificial Life
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Exploring Self-Assembling Behaviors in a Swarm of Bio-micro-robots using Surrogate-Assisted MAP-Elites2020

    • 著者名/発表者名
      Cazenille, L.
    • 学会等名
      CBI 2020
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Using map-elites to optimize self-assembling behaviors in a swarm of bio-micro-robots2019

    • 著者名/発表者名
      Cazenille L, Bredeche N, Aubert-Kato N
    • 学会等名
      SWARM 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Hearing the shape of a chemical reactor with a deep network of swarms2019

    • 著者名/発表者名
      Lobato-Dauzier N, Cazenille L, Aubert-Kato N, Vlandas A, Fujii T, Genot A
    • 学会等名
      SWARM 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Exploring Self-Assembling Behaviors in a Swarm of Bio-micro-robots using Surrogate-Assisted MAP-Elites2019

    • 著者名/発表者名
      Cazenille Leo、Bredeche Nicolas、Aubert-Kato Nathanael
    • 学会等名
      2019 IEEE Symposium Series on Computational Intelligence (SSCI)
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Comparing reliability of grid-based quality-diversity algorithms using artificial landscapes2019

    • 著者名/発表者名
      Cazenille Leo
    • 学会等名
      GECCO 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2019-05-29   更新日: 2024-03-26  

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