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2021 年度 実施状況報告書

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
キーワードMolecular Robotics / Collective Behaviors / Swarm / Microfluidics / Quality-Diversity / Reaction-Diffusion / Evolutionary Algorithm
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.

次年度使用額が生じた理由

Depending on the situation, part of the costs will either cover mostly the traveling expenses to France or the costs of buying a hardware robotic swarm to locally perform experiments.
Otherwise, we plan to purchases wetlab consumables as plan and pay for the processing fees of open access publications.

  • 研究成果

    (19件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 8件、 査読あり 8件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 4件、 招待講演 2件) 図書 (1件)

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

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      ISIR, Sorbonne Universite/JLP, Sorbonne Universite
  • [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: 40 ページ: 723~736

    • DOI

      10.1007/s00354-022-00156-4

    • 査読あり / 国際共著
  • [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 ページ: 245~245

    • DOI

      10.3390/mi13020245

    • 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 ページ: 315~315

    • DOI

      10.3390/mi13020315

    • 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 ページ: online

    • DOI

      10.1162/isal_a_00454

    • 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
      Abe Keita、Murata Satoshi、Kawamata Ibuki
    • 雑誌名

      Soft Matter

      巻: 17 ページ: 6160~6167

    • DOI

      10.1039/D1SM00296A

    • 査読あり / 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
      Yamashita Yudai、Watanabe Kotaro、Murata Satoshi、Kawamata Ibuki
    • 雑誌名

      Chem-Bio Informatics Journal

      巻: 21 ページ: 28~38

    • DOI

      10.1273/cbij.21.28

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] A large, square-shaped, DNA origami nanopore with sealing function on a giant vesicle membrane2021

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

      Chemical Communications

      巻: 57 ページ: 2990~2993

    • DOI

      10.1039/d0cc07412h

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Capsule-like DNA Hydrogels with Patterns Formed by Lateral Phase Separation of DNA Nanostructures2021

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

      JACS Au

      巻: 2 ページ: 159~168

    • DOI

      10.1021/jacsau.1c00450

    • 査読あり / オープンアクセス / 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
    • 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
  • [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
  • [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
    • 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
    • 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)
    • 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)
    • 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
  • [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
  • [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
      978-4-274-22713-4

URL: 

公開日: 2022-12-28  

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