【研究分野】情報科学、情報工学およびその関連分野

【研究領域課題番号】17K19961 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

DNAコンピュータ / 分子ロボット / 群ロボット / 自己組織化 / 機械学習 / ＤＮＡコンピュータ

【研究成果の概要】

本研究は、電子回路による高速な情報処理と、化学反応による低速な情報処理を融合した新たな情報処理モデルを構築することを動機とし、分子デバイスから構成される分子ロボットによって群知能を実現することを最終的な目的として、分子ロボットの群れ（群分子ロボット）をセルオートマトン（ゲルオートマトンと呼ぶ）としてモデル化し、群れの中で経路や全域木などの各種のパターンを形成する分散アルゴリズムを構成した。さらに、化学的な勾配を模倣した信号伝搬と、電子回路におけるような高速の信号伝達によって拡張されたセルオートマトンのもとで、入出力の教師データから論理回路を合成する分散アルゴリズムを構成した。

【研究の社会的意義】

脳においては、アクソンが伸長することによりニューロン間のネットワークが形成されシナプスが変化することにより、長期的な情報処理である学習が行われる。パルスの伝達が一過性であるのに対して、アクソンの伸長やシナプスの変化においては、化学反応の影響が蓄積されネットワークの構造として定着する。このような学習の仕組みを倣って、将来的に人工的に同様の機能を分子で作られたデバイスによって実現するために、主としてセルオートマトンという数理モデルを用いて、ネットワーク形成の仕組みを構成した。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2017-06-30 - 2021-03-31

【配分額】6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)

【研究分野】マイクロ・ナノデバイス

【研究領域課題番号】24651159 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

自己組織化 / 自律システム / マイクロマシン / マイクロ流体 / 生物物理 / 分子ロボット / DNAコンピュータ / マイクロ・ナノデバイス

【研究成果の概要】

従来の自己組織化システムは，系の安定点に収束させることで，ある構造を構築する“self-assembly”を利用したものが一般的であったが，この場合，結晶などの均一な構造を作ることが限界であり，生命システムなどの複雑で自律的なシステムを構築することができなかった．本研究では，動的な自己組織化としての“self-organization”を目指して研究を行った．すなわち，非平衡環境下で，分子のスケールの反応から，マイクロ・ミリメートルスケールのシステムまで階層的に結びつく非常に複雑な動的な自己組織化現象を利用した，新しいシステム構築，新しいものづくりの方法を発展させることに貢献した．

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2012-04-01 - 2014-03-31

【配分額】4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】20200004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

結晶成長 / DNAコンピューター / 自己組織化 / フォトニック結晶 / メタマテリアル / ナノデバイス / 成膜プロセス / 相分離 / DNAコンピュータ / 薄膜プロセス / 製膜プロセス

【研究成果の概要】

核酸高分子による自己組織化原理に従って構造間結合のオン・オフをあらかじめプログラム可能なDNAプログラミングの手法とコロイド結晶成長理論に基づいて、革新的機能を有する新機能性薄膜を大面積、無欠陥に形成するプロセスを構築した。具体的には、電荷を有する基板上において荷電粒子(コロイド粒子、DNA集積体など)が対イオンを介して相互作用することによって、大面積かつ無欠陥の集積構造を発現することをはじめて明らかにした。さらにこの集積原理は、DNA構造体を用いたフォトニック結晶およびメタマテリアルとして知られる新奇な物性を発現する回路素子の成膜技術に応用できることを示した。

【研究種目】新学術領域研究(研究課題提案型)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】31,330千円 (直接経費: 24,100千円、間接経費: 7,230千円)

【研究分野】生体生命情報学

【研究領域課題番号】19200023 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

DNAコンピュータ / マイクロ・ナノデバイス / 高精度セルフアセンブリ / 自己組織化

【研究成果の概要】

本研究においては,DNAタイルを用いた分子計算の高精度化に向けて,いくつかの側面から研究開発に取り組んだ.まず,DNAタイルのセルフアセンブリによる分子計算プロセスの詳細なシミュレーションモデルを開発し,実験結果を精度よく説明することに成功した.また,T-motifと呼ばれる丁字型のDNAナノ構造体用のモチーフが,基板上で平面拘束をうけながら品質の高い大規模平面に成長する現象を見出した.これをもとに基板上でのみ成長する新しいモチーフをいくつか設計し,同様の大規模成長が可能であることを実験により確認した.さらに2種のT-motifタイルによるアルゴリズミックセルフアセンブリを基盤上で行って周期構造体を作製し,タンパク質分子を高精度配列させることに成功した.分子計算のための人工核酸の開発にも取り組み,汎用性の高いクロスリンカーとしてカルバゾールヌクレオシド(C^<NVK>)を含む核酸の合成に成功し,各種の核酸構造物へ適用できることを見出した.作製時の環境制御技術として,マイクロ流体デバイス中に固定化したDNAを核として,段階的にセルフアセンブリを行う手法を開発し,蛍光測定によるDNA構造体のバルク評価を行った.

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2007 - 2009

【配分額】47,450千円 (直接経費: 36,500千円、間接経費: 10,950千円)