計画班

ロボットの定義は,「センサにより外部環境から情報を獲得し,情報処理回路によりその情報を判断し,その結果に応じてモータを動かして環境に対して働きかけるもの」である.システムを環境から区別し,これらの要素を一体として関連付けるためのボディ(構造体)も必要である.「分子ロボット」はこれらの構成要素がすべて分子レベルのデバイスで実現されたシステムである.そのために,感覚,知能,運動,構造といった分子ロボットに必要な要素技術を開発するだけでなく,これらを連関,統合させる技術の開発が必要になる.もちろん,通常サイズのロボットとは異なり,部品の組み立てはすべてボトムアップな自己集合・自己組織化により行われる必要があり,また動作のプログラムや制御はすべて化学反応系のプログラムと制御により実現しなければならない.

本学術領域の計画研究は感覚班(A01),知能班(B01),アメーバ班(C01),スライム班(D01)の4つの班から構成される。感覚班および知能班は,それぞれ分子ロボットに必要な分子センサーや分子制御システムの要素技術の研究開発を目標としている。アメーバ班とスライム班は,それぞれアメーバ型分子ロボットならびにスライム型分子ロボットのプロトタイプシステムの研究開発を目標としている。

また,総括班は,つねに各班の研究進捗をみながら,整合性が取れる目標を設定・調整し,研究班間の連携を促して分子ロボティクス学術領域の確立に努めるとともに,そのための人材育成を行う.また,周辺の学術分野へのフィードバックのため,関連研究者に向けたシンポジウムや,一般や高校生向けなどのアウトリーチ活動にも力を入れる.

organization

各計画班の研究内容

X01 総括班

萩谷 昌己
研究代表者, 東京大学教授keikaku萩谷先生
スライム型分子ロボット, ゲルオートマトン
ニュースレター掲載記事:
No.1「ご挨拶」
No.7「スライム班とゲルオートマトン」
No.13「分子ロボティクス研究会6月定例会 新学術領域『ゆらぎと構造』+『分子ロボティクス』合同研究会」
No.16「Molecular computers for molecular robots as hybrid
systems」

 

小長谷 明彦
研究分担者, 東京工業大学教授keikaku小長谷先生
アメーバ型分子ロボットシミュレーションシステムの構築
ニュースレター掲載記事:
No.3「ナノ・マイクロビジネス展2013報告」
No.3「分子ロボティクス研究会・人工知能学会SIGMBI共催」
No.4「巻頭言」
No.6「劣決定逆問題の高速解法Cluster Newton法の研究」
No.7「ナノ・マイクロビジネス展/ROBOTECH」
No.12「第五回新学術領域『分子ロボティクス』領域会議」
No.12「ナノ・マイクロビジネス展/ROBOTECH」
No.13「高校生向けイベント『ひらめき☆ときめきサイエンス』」
No.14「CBI学会2015大会共催 新学術領域『分子ロボティクス』シンポジウム」
No.16「生体分子モーターキネシンにより駆動する微小管の集団運動発現系の確立」
No.18「高校生向けイベント『ひらめき☆ときめきサイエンス』~ようこそ大学の研究室へ~参加プログラム:「DNA オリガミで遊ぼう!」」

 

小林 聡
連携研究者, 電気通信大学教授keikaku小林先生
(1) 分子ロボットの反応回路の情報数理モデルの構築と数値シミュレーション, および (2) 入力の変化に応じて出力を変えることのできる反応回路の設計方法の考案を目指します.
ニュースレター掲載記事:
No.5「巻頭言」
No.6「分子種の数が組合せ爆発を起こす反応系の平衡状態計算アルゴリズムの開発」
No.7「分子ロボティクス研究会5月定例会(計測自動制御学会分子ロボティクス研究会・人工知能学会分子生物情報研究会共催)」

 

齊藤 博英
連携研究者, 京都大学教授keikaku齊藤先生
バイオエンジニアリング
ニュースレター掲載記事:
No.2「タンパク質に応答して遺伝子発現のオン・オフを制御する RNA スイッチの作製」
No.6「巻頭言」

 

安永 正浩
連携研究者, 国立がん研究センターkeikaku安永先生
総括班での医学領域アドバイザー
ニュースレター掲載記事:
No.9「巻頭言」

 

横山 昌幸
連携研究者, 東京慈恵会医科大学教授keikaku横山先生(保留)
ドラッグデリバリーシステム

 

大和 雅之
連携研究者, 東京女子医科大学教授keikaku大和先生
医用生体工学
ニュースレター掲載記事:
No.11「巻頭言」

 

A01 感覚班

「核酸ナノ構造を活用した多元分子情報変換デバイスの創成」

ここでは,目的とする入力因子の検出・増幅・変換を同時かつ一分子レベルの高感度で実現できるナノ分子デバイスを構築する.具体的には,種々の入力因子(核酸,タンパク質,光,pH)を検出し,それをRNA からなるシグナル増幅回路に連結させる(基盤技術は開発済み).さらに,増幅したRNAシグナルを任意の核酸配列(出力)へと変換する人工情報変換デバイスを作成する.これにより目的の入力に応答して自律的に任意の核酸配列を出力する分子デバイスを実現する.任意の入力因子を検出するため,二つの戦略を活用する.ひとつは,ノイズの大きな細胞内環境を想定し,目的の入力因子を高感度で検出し,任意のRNA 配列に変換する人工RNA ナノスイッチを用いる方法,もうひとつは,DNA オリガミを活用し異なる入力因子をナノサイズの空間分解能で同時かつ独立にセンシングし,結果を任意のRNA に変換する方法である.さらに,RNA 人工増幅回路を拡張し,出力核酸配列を自律的に供給する方法を開発するとともに,マイクロ加工で作製した微小反応場によるモデル実験系を構築する.また,この分子情報変換デバイスの動的挙動の尐数分子系シミュレーションを行う.開発したナノ情報変換デバイスをリポソーム膜内に組み込み,膜の外側で検出した入力情報を,任意の核酸配列の出力として膜の内側にリリースできるようにすることで,B01 知能班やC01アメーバ班とのインタフェースを確立する.

齊藤 博英
研究代表者, 京都大学教授keikaku齊藤先生
バイオエンジニアリング
ニュースレター掲載記事:
No.2「タンパク質に応答して遺伝子発現のオン・オフを制御する RNA スイッチの作製」
No.6「巻頭言」

 

瀧ノ上 正浩
研究分担者, 東京工業大学准教授keikaku滝ノ上先生
細胞型分子ロボットの構築
ニュースレター掲載記事:
No.4「第51回日本生物物理学会年会共催新学術『分子ロボティクス』シンポジウム」
No.4「動的な細胞サイズ分子ロボットのためのボディを創る!」
No.7「分子ロボティクス研究会4月定例会」
No.16「ハイブリッド型分子ロボット 〜コンピュータ制御された人工細胞の構築〜」
No.18「分子ロボティクス研究会6月定例会「分子ロボティクス周辺研究への招待:非平衡物理現象からモデル細胞制御まで」」

 

遠藤 政幸
研究分担者, 京都大学准教授keikaku遠藤先生
分子ロボットのセンシングと情報伝達のための人工受容体の開発 / 1分子センシングのための分子情報変換システムの開発 / 膜貫通チャネル構造体の構築 / 脂質膜とDNA構造体の相互作用の可視化
ニュースレター掲載記事:
No.14「脂質二重膜上でのDNAオリガミ構造体の自己集合」
No.16「分子ロボティクス研究会1月定例会 in 京都『分子計測・1分子観察の最前線と分子ロボティクスへの融合』」

 

庄田 耕一郎
連携研究者, 東京大学助教koubo庄田先生
リポソーム膜貫通型分子センサーと分子モータースイッチ
ニュースレター掲載記事:
No.11「リポソーム表面で生体分子をセンスする双頭核酸ヘッド型両親媒性分子の開発」

 

B01 知能班

「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」

ここでは,分子ロボットの知能中枢を担う,核酸をベースとした化学反応回路の設計・構築に取り組む.そのために,高速・安定に動作する(AND, OR, NOT 等の)基本演算素子を開発すると同時に,過去の入力情報を記憶して,その記憶と現在の入力に基づいて次の出力を決定する計算機構(状態遷移機械)を実現する.具体的には,核酸の光連結反応や枝分かれ分子の形成技術を用いて高速に演算できる新規分子素子を開発し,DNA ポリメラーゼ伸長反応を利用した核酸分子による状態遷移機械を実現する.また,反応回路の確率的自己安定性を自律分散システム理論により解析し,安定な回路を設計する.さらに,環境の変化に適応して機能を自己改変できる学習回路システムの設計法を開発するとともに, A01 センサー班およびD01 スライム班とのインタフェースを確立する.

 

小林 聡
研究代表者, 電気通信大学教授keikaku小林先生
(1) 分子ロボットの反応回路の情報数理モデルの構築と数値シミュレーション, および (2) 入力の変化に応じて出力を変えることのできる反応回路の設計方法の考案を目指します.
ニュースレター掲載記事:
No.5「巻頭言」
No.6「分子種の数が組合せ爆発を起こす反応系の平衡状態計算アルゴリズムの開発」
No.7「分子ロボティクス研究会5月定例会(計測自動制御学会分子ロボティクス研究会・人工知能学会分子生物情報研究会共催)」

 

藤本 健造
研究分担者, 北陸先端科学技術大学院大学教授keikaku藤本先生
光化学的操作法を用いた化学反応回路の構築
ニュースレター掲載記事:
No.2「第一回領域会議in北陸」
No.4「分子ロボティクス研究会夏合宿2013 in北陸」
No.4「超高速光クロスリンク反応を基盤とした核酸類操作法の開発」
No.7「巻頭言」

 

山下 雅史
研究分担者, 九州大学教授keikaku山下先生
分子ロボット群の分散制御
ニュースレター掲載記事:
No.13「Self-Stabilizing Oscillation in Population Protocol」
No.18「巻頭言」

 

鈴木 泰博
研究分担者, 名古屋大学教授名古屋大学鈴木先生画像
ノイズリダクション, 知能の実装
ニュースレター掲載記事:
No.7
No.18「分子ロボティクス研究会5月定例会 in 秋田 10th International Workshop on Natural Computing 共催」

 

小宮 健
研究分担者, 東京工業大学助教keikaku小宮先生
DNAナノテクノロジー
ニュースレター掲載記事:
No.18「一本鎖DNAを生成するプログラマブルな等温反応系」

 

横森 貴
連携研究者, 早稲田大学教授keikaku横森先生
分子反応の離散モデルの開発とその分子ベースの学習機能への応用
ニュースレター掲載記事:
No.2「知能班における理論研究」
No.12「分子反応の計算能力の解析」

 

井村 順一
連携研究者, 東京工業大学教授keikaku井村先生
化学反応回路設計の制御理論的アプローチ

 

Rondelez Yannick
連携研究者, 東京大学准教授keikakuYannick先生(保留)
物理化学

 

速水 謙
連携研究者, 国立情報学研究所教授keikaku速水先生
逆問題解法とその応用(薬物動態モデル), 最小二乗問題・連立一次方程式の反復解法
ニュースレター掲載記事:
No.3「大規模最小二乗問題の高速解法の研究」
No.6「劣決定逆問題の高速解法Cluster Newton法の研究」

 

山内 由紀子
連携研究者, 九州大学助教keikaku山内先生
システム情報科学
ニュースレター掲載記事:
No.11「自律移動ロボット群の分散制御理論に基づく化学反応系の設計に向けて」
No.13「Self-Stabilizing Oscillation in Population Protocol」
No.17「分散システム論に基づく化学反応系の設計理論へ向けて」

 

C01 アメーバ班

「アメーバ型分子ロボット実現のための要素技術開発とその統合」

ここでは,アメーバ型の分子ロボットとして,分子モータ群を備えたサブマイクロスケールの人工リポソームの研究開発を行う.具体的には,A01 感覚班の開発するDNA チャネル構造によりセンシング情報を入力し,それをB01 知能班の開発する情報処理回路によって識別・増幅し,微小管伸長などの分子モータ群を起動・制御して目的の運動を創発させる.すなわち,特定配列をもつDNA 断片などをセンシング対象として,その外部濃度の変化に応じた仮足伸長運動の発現を目標とする.センシングデバイスで得た分子情報をリポソーム内で処理するために,(1)感覚班の作成するDNA チャネル構造をリポソーム膜内に埋め込む技術,および(2)知能班の開発するDNA情報処理回路をリポソーム内に実装する技術を開発する.これにより,分子ロボット外部の濃度情報がリポソーム内に伝達され,一定の情報処理を経てリポソーム内にアクチュエータ駆動用のDNA 濃度場を形成する.これを駆動入力として,(3)適切なDNA 修飾を施した分子モータ群(微小管束および微小管アスター等)を制御する技術を開発し,リポソームの突起(アメーバ仮足)を伸長させる運動を発現させる.より高度な方向性制御を実現するため,(4)分岐構造などを含むペプチド型の分子モータを開発する.また,(5)これらの分子モータ群をDNA ナノ構造体を用いて構造化することにより,伸長運動を増幅する技術を開発する.さらに,(6)リポソーム膜面上に分子モータ群をアンカーするタンパク質を発現させ,膜面上の相転移現象を利用してモータ群の方向を制御する技術を開発する.(7)これら一連の反応系を設計するため,膜分子およびラフト構造の自己組織化シミュレーションシステムを開発する.

 

小長谷 明彦
研究代表者, 東京工業大学教授keikaku小長谷先生
アメーバ型分子ロボットシミュレーションシステムの構築
ニュースレター掲載記事:
No.3「ナノ・マイクロビジネス展2013報告」
No.3「分子ロボティクス研究会・人工知能学会SIGMBI共催」
No.4「巻頭言」
No.6「劣決定逆問題の高速解法Cluster Newton法の研究」
No.7「ナノ・マイクロビジネス展/ROBOTECH」
No.12「第五回新学術領域『分子ロボティクス』領域会議」
No.12「ナノ・マイクロビジネス展/ROBOTECH」
No.13「高校生向けイベント『ひらめき☆ときめきサイエンス』」
No.14「CBI学会2015大会共催 新学術領域『分子ロボティクス』シンポジウム」
No.16「生体分子モーターキネシンにより駆動する微小管の集団運動発現系の確立」
No.18「高校生向けイベント『ひらめき☆ときめきサイエンス』~ようこそ大学の研究室へ~参加プログラム:「DNA オリガミで遊ぼう!」」

 

角五 彰
研究分担者, 北海道大学教授keikaku角五先生
分子モーターを駆動力とするアメーバ型ロボットの創製
ニュースレター掲載記事:
No.3「分子ロボティクス研究会6月定例会in北海道」
No.3「アメーバ型分子ロボットの動力源としての生体分子モーター」
No.8「第52回日本生物物理学会年次大会シンポジウム企画 新学術領域『分子ロボティクス』」
No.13「分子ロボティクス研究会5月定例会in北海道」
No.16「生体分子モーターキネシンにより駆動する微小管の集団運動発現系の確立」

 

平塚 祐一
研究分担者, 北陸先端科学技術大学院大学准教授keikaku平塚先生
モータータンパク質よる分子ロボットの骨格・形態制御
ニュースレター掲載記事:
No.12「タンパク質で駆動するディスプレイ」
No.13「分子ロボティクス研究会7月定例会in北陸」

 

野村 慎一郎
研究分担者, 東北大学准教授keikaku野村先生
“第2世代分子ロボット”自立駆動する人工分子アメーバの構築
ニュースレター掲載記事:
No.6「第四回領域会議報告in仙台」
No.12「分子ロボ御一行様、どうぞ奥へ」
No.16「分子ロボティクス研究会 12 月定例会 in 仙台『分子ロボティクスの立ち回りを考える – 分子と機械的生体との踊り場で』」

 

葛谷 明紀
研究分担者, 関西大学准教授kuzuya_picture
DNAオリガミ構造体を活用した人工細胞骨格および人工アクチュエーターの構築
ニュースレター掲載記事:
No.12「液相大量合成法を活用したDNA四重鎖ゲル」
No.18「第2回野口遵賞(公益財団法人 野口研究所)受賞「DNAを用いたインテリジェント分子デバイスの開発」」

 

松浦 和則
研究分担者, 鳥取大学教授keikaku松浦先生
光応答性ペプチド分子集合体の設計・合成・評価
ニュースレター掲載記事:
No.2「人工合成したウイルス殻に DNA 分子を内包することに成功」
No.12「分子ロボティクス研究会1月定例会」
No.12「DNA ハイブリダイゼーションによりアドレスされた光誘起ペプチド繊維成長システム」
No.18「日本化学会 第33回学術賞を受賞」

 

瀧口 金吾
研究分担者, 名古屋大学講師keikaku滝口先生
細胞骨格アクチンと分子モーターミオシンをベースに, さらに生体膜形態制御因子を組み合わせて再構成させることによって, 自律運動が可能な分子エンジンを開発し, これを人工分子アメーバに実装することに挑戦します.
ニュースレター掲載記事:
No.2「F-BARドメイン蛋白質による膜小胞形反応のリアルタイムイメージング解析」
No.3「蜂毒由来のペプチドであるメリチンが持つ多彩な膜小胞変形変換能力」
No.7「分子ロボティクス研究会6月定例会」
No.18「微小管を封入した巨大リポソームで実現できた可逆的な繰返し変形」

 

豊田 太郎
連携研究者, 東京大学准教授keikaku豊田先生
アメーバ様分子集合体およびその集合体の形成実験
ニュースレター掲載記事:
No.7「リポソームブートキャンプ2014in駒場」
No.7「油中水滴エマルション遠心沈降法によるジャイアントベシクル作製」
No.11「情報駆動型ミセル-ベシクル転移の探究」
No.17「ジャイアントベシクル型スライムの構築」
No.17「ソフトマター若手勉強会」

 

D01 スライム班

「構造化ゲルと化学反応場の協働による運動創発」

本研究では,スライム型の分子ロボット開発のための基礎研究を行う.スライム型ロボットは,性質の異なるゲルを微細に構造化したゲルアクチュエータをボディとして持つ分子ロボットで,A01 感覚班のセンサーからの入力やB01 知能班の回路出力を初期刺激としてボディ内に化学反応場を形成することにより,アクチュエータを収縮膨張させ,目的の運動を創発させる.具体的には,特定の化学物質の濃度勾配を感知し,濃度の大きい方向へ泳ぐ蠕動運動などの実現を目標とする.そのため,異方性や階層性を持つゲルアクチュエータを自己組織化によって生成するとともに ,ゲルアクチュエータに知能班の作製する分子情報処理回路の計算機能,および燃料となる分子のプール機能を付与し,感度と運動能力を高めるための精密分子設計を行う.さらに,DNA 分子入力信号およびゲルアクチュエータの動特性を考慮した高次構造を創製し,そのレオロジー制御技術を開発する.また,光によるゲルアクチュエータの直接的な制御のために,光駆動型DNA ゲルの開発を行う.B01 知能班の開発するDNA 回路により非線形時空間振動をプログラムし,ゲル空間内で非均質場を生成することにより,アクチュエータの異方性駆動を実現する.このため,運動素の動的分布,たとえば三次元らせん反応場を設計するアルゴリズムを開発する.また,ゲル構造の変形のために,部材の伸縮だけではなく,脱構築(ゾル化)・再構築(ゲル化)を繰り返して,構造そのものの形状を変えていくためのアルゴリズムを開発する.

萩谷 昌己
研究代表者, 東京大学教授keikaku萩谷先生
スライム型分子ロボット, ゲルオートマトン
ニュースレター掲載記事:
No.1「ご挨拶」
No.7「スライム班とゲルオートマトン」
No.13「分子ロボティクス研究会6月定例会 新学術領域『ゆらぎと構造』+『分子ロボティクス』合同研究会」
No.16「Molecular computers for molecular robots as hybrid
systems」

 

浅沼 浩之
研究分担者, 名古屋大学教授keikaku浅沼先生
光応答型ゲルアクチュエータの開発
ニュースレター掲載記事:
No.3「分子ロボティクス研究会4月定例会in名古屋」
No.6「光応答性 DNA/RNA による核酸機能の可逆的光スイッチング」
No.17「第七回新学術領域「分子ロボティクス」領域会議」
No.18「非環状型人工核酸による光機能性ナノマテリアルの創製」

 

村田 智
研究分担者, 東北大学教授keikaku村田先生
分子ロボティクス,創発システム
ニュースレター掲載記事:
No.2「巻頭言」
No.10「巻頭言」
No.15「東北大学チーム国際生体分子デザインコンペティションで総合優勝」
No.17「新学術領域「分子ロボティクス」公募研究特集について」
No.18「新学術領域「分子ロボティクス」国際公開シンポジウムIEEE NEMS2016 国際会議共催」

 

有村 隆志
研究分担者, 産業技術総合研究所主任研究員keikaku有村先生
1)特定の信号入力に応答して動的構造変化をする反応場を設計, および2)ゲルアクチュエーターのレオロジー制御を目指します.
ニュースレター掲載記事:
No.3「ポルフィリン錯体を用いる構造化ゲルのレオロジー制御」
No.6「分子ロボティクス研究会1月定例会」
No.7「鉄錯体・フェロインを触媒とする BZゲルの自律性膨潤収縮運動.」
No.18「金属ポルフィリンを触媒とした非線型ダイナミクス制御」

 

菅原 研
研究分担者, 東北学院大学教授keikaku菅原先生
局所的な脱構築・再構築が常に生じる動的な条件のもとで, 大域的に安定な構造体が自己組織化されるアルゴリズムの開発
ニュースレター掲載記事:
No.18「マクロなロボティクスからみる分子ロボティクス」

 

宮元 展義
研究分担者, 福岡工業大学准教授keikaku宮元先生
分子ロボティクスのための無機有機複合ゲルの合成
ニュースレター掲載記事:
No.3「ナノ構造をもつ無機物を活用した異方性ゲルの合成」

 

原 雄介
研究分担者, 産業技術総合研究所keikaku原先生
DNAコンピュータを内包した新規ゲルアクチュエータの創製
ニュースレター掲載記事:
No.2 「自励振動高分子の活性化エネルギーに関する研究」
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