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Optimization of molecular robot swarms for the emergence of collective behaviors

研究課題

研究課題/領域番号 19KK0261
研究種目

国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(B))

配分区分基金
審査区分 中区分62:応用情報学およびその関連分野
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, 講師 (10749659)

研究分担者 川又 生吹  東北大学, 工学研究科, 助教 (30733977)
佐藤 佑介  東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (60830560)
研究期間 (年度) 2019-10-07 – 2024-03-31
研究課題ステータス 交付 (2021年度)
配分額 *注記
18,070千円 (直接経費: 13,900千円、間接経費: 4,170千円)
2023年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
2022年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2021年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2020年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円)
2019年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
キーワードMolecular Robotics / Collective Behaviors / Swarm / Microfluidics / Quality-Diversity / Reaction-Diffusion / Evolutionary Algorithm
研究開始時の研究の概要

This project aims to find optimal conditions for the emergence of robust cooperative behaviors in a swarm of molecular robots. During a past collaboration with the International collaborators, we implemented a swarm of one million molecular robots capable of simple aggregation. We will build onto that platform to test and implement new molecular robotic systems, using simulation and evolutionary optimization on the theoretical side, and in-vitro implementation on the experimental side. Furthermore, implementation in a standard fleet of small robots to bridge the reality gap.

研究実績の概要

During this fiscal year, we finalized the mathematical analysis of enzymatically coupled oscillatory modules. In such system, molecular signals from the environment can directly affect parameters such as local enzymatic saturation, and thus switch the system from a coupled to an uncoupled regime and vice-versa. Our parameter exploration can be used to guide the design of complex molecular systems, such as active materials or molecular robot controllers. We then moved to the in-vitro implementation with a microfluidics setup, with the target of performing morphogenesis-like behaviors.
Thanks to regular online meetings with the French side, we finalized the design and coding of a "molecular" algorithm on a swarm of hardware robots. We moved to the Implementation on actual robots, with promising preliminary results.
Finally, in accordance with the original plan, we designed DNA nanostructures for molecular robotics, both through an algorithmic exploration and through experimental implementations.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

While traveling is still an issue, we managed to implement the hardware swarm on the French side through regular meetings. Progress on that front is slower than through direct interaction, but results are promising.
Progress on the theoretical and wetlab side are good and on par with the original plan.

今後の研究の推進方策

The plan for this fiscal year is to finalize the experimental implementation of our theoretical molecular system. Targets will be both dynamic (in accordance to the original plan) and inspired by morphogenesis (based on current preliminary results).
We also plan to finalize the hardware robotic swarm implementation. Depending on results, we aim to catch up with the original plan by the end of the fiscal year.

報告書

(3件)
  • 2021 実施状況報告書
  • 2020 実施状況報告書
  • 2019 実施状況報告書

研究成果

(39件)

すべて 2022 2021 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (17件) (うち国際共著 16件、 査読あり 16件、 オープンアクセス 13件) 学会発表 (17件) (うち国際学会 6件、 招待講演 4件) 図書 (1件) 備考 (1件)

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

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [国際共同研究] ISIR, Sorbonne Universite/JLP, Sorbonne Universite(フランス)

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [国際共同研究] ISIR, Sorbonne Universite/JLP, Sorbonne Universite(フランス)

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Controlling the Synchronization of Molecular Oscillators through Indirect Coupling2022

    • 著者名/発表者名
      Inagaki Shiho、Aubert-Kato Nathanael
    • 雑誌名

      Micromachines

      巻: 13 号: 2 ページ: 245-245

    • DOI

      10.3390/mi13020245

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Autonomous and Programmable Strand Generator Implemented as DNA and Enzymatic Chemical Reaction Cascade2022

    • 著者名/発表者名
      Kawamata Ibuki, Nomura Shin-ichiro M., Murata Satoshi
    • 雑誌名

      New Generation Computing

      巻: Accepted 号: 2 ページ: 723-736

    • DOI

      10.1007/s00354-022-00156-4

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Therapeutic Applications of Programmable DNA Nanostructures2022

    • 著者名/発表者名
      Aye Seaim、Sato Yusuke
    • 雑誌名

      Micromachines

      巻: 13 号: 2 ページ: 315-315

    • DOI

      10.3390/mi13020315

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Web Server with a Simple Interface for Coarse-grained Molecular Dynamics of DNA Nanostructures2021

    • 著者名/発表者名
      Yudai Yamashita, Kotaro Watanabe, Satoshi Murata, Ibuki Kawamata
    • 雑誌名

      CBIジャーナル

      巻: 21 号: 0 ページ: 28-38

    • DOI

      10.1273/cbij.21.28

    • NAID

      130008031759

    • ISSN
      1347-0442, 1347-6297
    • 年月日
      2021-04-30
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書 2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Emergence of structures from parasitic species in a spatially distributed molecular system2021

    • 著者名/発表者名
      Aubert-Kato Nathanael、Gines Guillaume、Fujii Teruo、Rondelez Yannick
    • 雑誌名

      ALIFE 2021: The 2021 Conference on Artificial Life

      巻: 2021

    • DOI

      10.1162/isal_a_00454

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Cascaded pattern formation in hydrogel medium using the polymerisation approach2021

    • 著者名/発表者名
      Keita Abe, Satoshi Murata, Ibuki Kawamata
    • 雑誌名

      Soft Matter

      巻: 25 号: 25 ページ: 6160-6167

    • DOI

      10.1039/d1sm00296a

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Large, square-shaped, DNA origami nanopore with sealing function on giant vesicle membrane2021

    • 著者名/発表者名
      Shoji Iwabuchi, Ibuki Kawamata, Satoshi Murata, Shin-Ichiro M. Nomura
    • 雑誌名

      Chemical Communications

      巻: 57 号: 24 ページ: 2990-2993

    • DOI

      10.1039/d0cc07412h

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書 2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] “Capsule-like DNA hydrogels with patterns formed by lateral phase separation of DNA nanostructures”2021

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Sato, *Masahiro Takinoue
    • 雑誌名

      JACS Au

      巻: Vol.2 号: 1 ページ: 159-168

    • DOI

      10.1021/jacsau.1c00450

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Emergence of structures from parasitic species in a spatially distributed molecular system2021

    • 著者名/発表者名
      N. Aubert-Kato, G. Gines, T. Fujii, Y. Rondelez
    • 雑誌名

      ALIFE 2021: The 2021 Conference on Artificial Life

      巻: ALIFE2021

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Cascaded pattern formation in hydrogel medium using the polymerisation approach2021

    • 著者名/発表者名
      K. Abe, S. Murata, I. Kawamata
    • 雑誌名

      Soft Matter

      巻: -

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] DNA nanotechnology provides an avenue for the construction of programmable dynamic molecular systems2021

    • 著者名/発表者名
      Sato Yusuke、Suzuki Yuki
    • 雑誌名

      Biophysics and Physicobiology

      巻: 18 号: 0 ページ: 116-126

    • DOI

      10.2142/biophysico.bppb-v18.013

    • NAID

      130008043992

    • ISSN
      2189-4779
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Pattern Regulation of DNA Hydrogels Formed by Lateral Phase Separation of DNA Nanostructures on Water-in-Oil Droplet Interfaces2021

    • 著者名/発表者名
      Sato Yusuke、Takinoue Masahiro
    • 雑誌名

      ChemRxiv

      巻: -- ページ: 1-33

    • DOI

      10.26434/chemrxiv.14245532.v1

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 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 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] DNA Origami “Quick” Refolding inside of a Micron-Sized Compartment2020

    • 著者名/発表者名
      Taiki Watanabe, Yusuke Sato, Hayato Otaka, Ibuki Kawamata, Satoshi Murata, Shin-Ichiro M. Nomura
    • 雑誌名

      Molecules

      巻: 25 号: 1 ページ: 8-8

    • DOI

      10.3390/molecules25010008

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Photolithographic shape control of DNA hydrogels by photo-activated self-assembly of DNA nanostructures2020

    • 著者名/発表者名
      Kasahara Yu、Sato Yusuke、Masukawa Marcos K.、Okuda Yukiko、Takinoue Masahiro
    • 雑誌名

      APL Bioengineering

      巻: 4 号: 1 ページ: 016109-016109

    • DOI

      10.1063/1.5132929

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Sequence-based engineering of dynamic functions of micrometer-sized DNA droplets2020

    • 著者名/発表者名
      Sato Yusuke、Sakamoto Tetsuro、Takinoue Masahiro
    • 雑誌名

      Science Advances

      巻: 6 号: 23 ページ: 3471-3471

    • DOI

      10.1126/sciadv.aba3471

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Session 1SCA?Utilizing soft compartments/interfaces for the creation of artificial biosystems2020

    • 著者名/発表者名
      Sato Yusuke、Morita Masamune、Suzuki Yuki
    • 雑誌名

      Biophysical Reviews

      巻: 12 号: 2 ページ: 257-259

    • DOI

      10.1007/s12551-020-00647-y

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Reaction-diffusion system using DNA computing and hydrogel platform2022

    • 著者名/発表者名
      Kawamata Ibuki
    • 学会等名
      International Workshop on Molecular Cybernetics: Toward Chemical AI
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] DNA分子を用いてプログラミングした化学反応ネットワーク2022

    • 著者名/発表者名
      川又生吹
    • 学会等名
      発動分子科学 × 分子サイバネティクス共催ワークショップ
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] 分子ナノテクノロジーとは, OS 分子ロボティクス・分子サイバネティクス1/2 チュートリアル2022

    • 著者名/発表者名
      川又生吹
    • 学会等名
      第34回自律分散システム・シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] A framework for molecular-based reservoir computing2021

    • 著者名/発表者名
      Aubert-Kato Nathanael
    • 学会等名
      日韓3女子大シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Emergence of structures from parasitic species in a spatially distributed molecular system2021

    • 著者名/発表者名
      Aubert-Kato Nathanael、Gines Guillaume、Fujii Teruo、Rondelez Yannick
    • 学会等名
      ALIFE 2021: The 2021 Conference on Artificial Life
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of Browser-Based Software for Intuitively Manipulating and Integrating DNA Nanostructures2021

    • 著者名/発表者名
      Kawamata Ibuki, Aradachi Sho, Murata Satoshi
    • 学会等名
      60th Annual Conference of the Society of Instrument and Control Engineers of Japan (SICE)
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Pattern formation on capsule-like DNA hydrogels induced by lateral phase separation of DNA nanostructure2021

    • 著者名/発表者名
      Sato Yusuke, Takinoue Masahiro
    • 学会等名
      The 27th International Conference on DNA Computing and Molecular Programming (DNA 27)
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] DNAナノ構造の側方相分離と細胞サイズ相分離DNAベシクル2021

    • 著者名/発表者名
      佐藤佑介, 瀧ノ上正浩
    • 学会等名
      第5回分子ロボティクス年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] 側方相分離が誘起するカプセル様DNAハイドロゲル表面のパターン形成2021

    • 著者名/発表者名
      佐藤佑介, 瀧ノ上正浩
    • 学会等名
      第59回生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] Molecular programming of swarms for ALife2020

    • 著者名/発表者名
      Leo Cazenille, Nicolas Lobato-Dauzier, Nathanael Aubert-Kato
    • 学会等名
      ALIFE 2020
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Current and Future Trends of DNA Molecule Computation2019

    • 著者名/発表者名
      Ibuki Kawamata
    • 学会等名
      SIGNAC 第33回研究会 人工知能学会合同研究会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] VAEによる分子反応ネットワークの探索2019

    • 著者名/発表者名
      Erika Yamazaki & Nathanael Aubert-Kato
    • 学会等名
      SIGNAC 第33回研究会 人工知能学会合同研究会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] Creation and control of DNA micro droplets based on phase transition and sequence design2019

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Sato, Tetsuro Sakamoto, Masahiro Takinoue
    • 学会等名
      The 23rd International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 筒状DNAオリガミ構造によるリポソーム内外の分子拡散にむけて2019

    • 著者名/発表者名
      川又生吹, 岩渕祥璽, 野村 M. 慎一郎, 村田智
    • 学会等名
      SIG-MBI
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] Toward molecular diffusion through liposome membrane using DNA origami structure2019

    • 著者名/発表者名
      Ibuki Kawamata, Shoji Iwabuchi, Shin-ichiro M. Nomura, Satoshi Murata
    • 学会等名
      Japanese Society for Cell Synthesis Research 12.0
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] A database to store design information of DNA nanostructure2019

    • 著者名/発表者名
      Ibuki Kawamata, Sho Aradachi, Satoshi Murata
    • 学会等名
      Molecular Robotics Session, Chem-Bio Informatics Society (CBI) Annual Meeting 2019
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] Programmable DNA reaction-diffusion system for a Voronoi pattern formation in hydrogel2019

    • 著者名/発表者名
      Keita Abe, Ibuki Kawamata, Shin-ichiro M. Nomura, Satoshi Murata
    • 学会等名
      CBI学会2019年大会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [図書] DNA origami入門2021

    • 著者名/発表者名
      川又生吹、鈴木勇輝、村田 智
    • 総ページ数
      264
    • 出版者
      オーム社
    • ISBN
      9784274227134
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書 2020 実施状況報告書
  • [備考] Molecular programming of swarms for ALife

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書

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公開日: 2019-10-10   更新日: 2022-12-28  

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