2014 Fiscal Year Annual Research Report
知能分子ロボット実現に向けた化学反応回路の設計と構築
| Project Area | Development of Molecular Robots equipped with sensors and intelligence |
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24104003
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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Principal Investigator |
小林 聡 電気通信大学, 情報理工学(系)研究科, 教授 (50251707)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山下 雅史 九州大学, システム情報科学研究科(研究院, 教授 (00135419)
小宮 健 東京工業大学, 総合理工学研究科(研究院), 助教 (20396790)
藤本 健造 北陸先端科学技術大学院大学, マテリアルサイエンス研究科, 教授 (90293894)
原 雄介 独立行政法人産業技術総合研究所, その他部局等, 研究員 (90452135)
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| Project Period (FY) |
2012-06-28 – 2017-03-31
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| Keywords | 分子ロボット / ＤＮＡコンピュータ / 自己組織化 / 知能ロボティクス / 生体生命情報学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
分子ロボットの知的情報処理機能の中枢を担う化学反応回路の構築に向けて，知能班では，回路の高性能化，センサーやアクチュエータとのインタフェースの開発，新しい計算モデルの構築に取り組み成果を収めた．
回路の高性能化については，DNA鎖置換反応の高速化に関連して超高速光クロスリンカー（cnvK）より，さらに８倍程度の高速光架橋能を有する新規光クロスリンカー（cnvD）の開発に成功した．これら光クロスリンカーを用いたDNA鎖置換反応の反応解析を行い，照射エネルギー依存的に高速化が可能であることを見出した．光架橋能の優れた分子ほど，DNA鎖置換反応を高速化できることも見出した．これらの成果により，DNA鎖置換反応の高速化に関する機構が概ね明らかとなった．また，時間応答性のある回路の開発に関しては，昨年度提案したＤＮＡ鎖置換反応に基づくアナログ回路に対し，その設計手法を検討し，時間応答性のある閾値素子や比較素子を構成できることを数値シミュレーションにより確認した．
インタフェースの開発については，化学反応回路と分子モータの間のnMとμMという濃度ギャップを解決するため，DNAシグナル増幅回路の性能向上に取り組み，多様な条件下において30分程度の反応時間でDNAシグナルを1,000倍以上に増幅することに成功した．また，DNAコンピュータを内包するゲルロボットの作製を目指して，DNAコンピュータを内包するゲルカプセル作成のため，様々な化学構造を有するゲル微粒子の合成検討を行った．
計算モデルについては，分子ロボットを分散システムと捉えて制御するための基礎となる分散計算理論に関する成果を収めた．具体的には，３次元モレキュラーロボットの走性発現に必要な局所能力の解析，３次元自律分散ロボット群による平面合意問題の解析，ポピュレーションプロトコルモデルによる自励振動の解析を行った．
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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
回路の高性能化については，これまで提案されているＤＮＡ論理回路は，鎖置換反応が低速であるため演算処理に膨大な時間がかかることが大きな問題であった．この問題に対し，新規に高速な光架橋性能を有する光クロスリンカーを開発し，光クロスリンカーを利用したＤＮＡの鎖置換反応の高速化手法をさらに進展させた．さらに，高速化性能と光照射エネルギーの依存関係を明らかにするなど，その高速化メカニズムの解明に向けて大きく前進した．また，既存の回路素子は，入力値の変化に適応して出力値を変化させる時間応答性能を有さないものがほとんどであった．この重要な課題について，昨年度提案したＤＮＡ鎖置換反応を利用した時間応答性のあるアナログ回路素子の設計方法を考案した．これにより，時間応答性のある閾値素子，線形計算素子，比較素子などが構築できることが，数値シミュレーションにより示された．これらの素子は，分子ロボットのセンサーからの入力に対する判断処理に利用できることが期待される．
他班が取り組むセンサーやアクチュエータとのインタフェースの構築も，分子ロボットの実機を作製するためには非常に重要である．特に，センサー，回路，アクチュエータの間には，使用されるＤＮＡ鎖の濃度差ギャップの問題が存在する．本研究では，DNAシグナル増幅回路について，１０００倍の増幅を３０分で達成するなど，高速な増幅回路を構築することにより，この濃度差ギャップ問題を乗り越える術を得た．また，これをベシクル内に封入して予備的に動作させることにも成功し，当初計画以上に研究が進展した．
計算モデルの立場からの貢献についても，分子ロボットの回路にとって非常に重要な要素の一つである自励振動系に関して，その設計に指針を与える基礎理論の構築に進展がみられた．
以上の成果を総合して，おおむね順調に進展していると評価する．
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| Strategy for Future Research Activity |
回路の高性能化とセンサーやアクチュエータとのインタフェースの開発，さらに新しい計算モデルの構築に関するこれまでの取り組みを進展させると同時に，他班と連携しながら，分子ロボットの実装に向けた研究を推進する．
回路の高速化については，これまで開発してきた光クロスリンカーを用いた高速なDNA鎖置換反応に基づいて，分子ロボットのための反応回路を実装し，光照射の有無による加速効果について実測する．また，時間応答性を持つ回路の設計については，提案しているアナログ回路を実装することも念頭に入れながら，分子ロボットのための時間応答性を持つアナログ回路の設計と構築に関する理論を確立することを目指す．
計算モデルについては，アナログ計算に基づく分子ロボットのための計算理論を構築すると同時に，分子ロボットのための分散計算理論に関する研究を更に進展させる．特に，分子ロボットは個々のロボットの計算能力が著しく制限された多数の要素からなる分散系であり，この本質を捉えた新しい分散計算理論を構築する．
分子ロボットの実装に向けては，１分子状態遷移素子などで構成されたDNA 論理回路によってマクロな応答動作が制御される，細胞サイズの分子ロボットプロトタイプを作製する．精密に温度制御して行う顕微鏡観察を通して，DNA 論理回路や増幅回路と分子モータがいずれも効率良く動作するシステムを設計し，反応条件の最適化を達成する．
これらの研究計画をより効果的に推進するために，センサー班から化学反応ネットワークの計算理論に精通している鈴木泰博博士に参画してもらい，アナログ計算モデルの構築を代表者の小林と共に目指す．また，高度なゲルアクチュエータの開発技術を持つ原雄介博士にスライム班に異動してもらい，スライム班で提案されているゲルオートマトンという新しい計算モデルで用いられるアクチュエータの開発に協力してもらう．
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