分子ロボットモデリング&シミュレーション

DNA、微小管、分子モータなどの生体分子を用いて、「感覚」と「知能」を備えたロボットを創生する研究を下記のプロジェクトを中心に進めています。
・科研費新学術領域研究「分子ロボティクス」「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」(代表小長谷明彦, 2012-2016年度)
・NEDO次世代人工知能・ロボット中核技術開発「生体分子を用いたロボットの研究開発」(代表小長谷明彦, 2016-2019年度)
・科研費基盤(A)「分子ロボティクスによる糖尿病モデルマウス血糖値制御法の研究」(代表小長谷明彦, 2017-2019年度)

研究目標

分子ロボット設計技術の実用化

背景

DNA、微小管、分子モータなどの生体分子を組み合わせることで、様々な分子ロボットの部品を構築することができます。小長谷研では、このような超分子部品の設計およびシミュレーションならびに粗視化による超分子部品間の相互作用の創発現象を可視化するためのシミュレーションシステムを開発しています。さらに、生体分子の3次元構造をより直観的に理解するために仮想現実(VR)を用いた3次元可視化ならびに触覚デバイスインタフェースの研究を進めています。

研究テーマ

  • 超分子原子モデリング
  • 超分子MDシミュレーション
  • 仮想現実(VR)触覚デバイスインタフェース
  • 仮想現実(VR)シミュレーション

超分子モデリング

DNA、微小管、分子モータのような生体超分子は従来のタンパク質のモデリングとは桁違いの原子数から構成されています。このような超分子からなる分子ロボット部品を原子レベルで正確に設計するために、1000万原子超の原子レベル超分子設計支援システムを構築しています。

超分子MDシミュレーション

1000万原子超の大規模MDシミュレーションならびに1億粒子規模の粗視化シミュレーションにチャンレンジしています。

仮想現実(VR)触覚デバイスインタフェース

タンパク質のような生体分子は複雑な3次元構造を構成するため、従来のような平面ディスプレイではその全体像を直観的に把握することは困難でした。この問題を解決するために、仮想現実(VR)を利用した超分子可視化インターフェースを開発しています。さらに、触覚提示デバイスを用いることで超分子の柔らかさを表現することにもチャレンジしてゆきます。

仮想現実(VR)シミュレーション

通常の可視化システムでは計算シミュレーションの途中状態をサンプリングして動画を生成するため、計算が終了してからでないと可視化できません。実時間可視化シミュレーションでは計算をしながら可視化するため、シミュレーション途中でパラメタや視点を変更することが可能となります。VRシミュレーションでは、これをVR環境で実現します。VR環境では通常のビデオレートの3倍にあたる90フレーム/秒の描画が必要となりますが、シミュレーションの世界に入り込み、仮想オブジェクトと人間が相互作用するという芸当が可能となります。

研究発表

論文

  • Greg Gutmann Daisuke Inoue, Akira Kakugo, Akihiko Konagaya: Parallel Interaction Detection Algorithms for a Particle-based Live Controlled Real-time Microtubule Gliding Simulation System Accelerated by GPGPU, Inter. J. of New Generation Computing (NGC), 35 (2),157-180  (2017).
    DOI:10.1007/s00354-017-0011-5
  • Greg Gutmann Daisuke Inoue, Akira Kakugo, Akihiko Konagaya: Real-Time 3D Microtubule Gliding Simulation Accelarated by GPU Computing, Inter. J. of Automation and Computing (IJAC), 19 Feb. 2 (2016), pp. 1-9.
    DOI: 10.1007/s11633-015-0947-1
  • Greg Gutmann Daisuke Inoue, Akira Kakugo, Akihiko Konagaya: Using a Master and Slave approach for GPGPU Computing to Achieve Optimal Scaling in a 3D
    Real-Time Simulation, in Proc. the IEEE Ann. Int. Conf. on Nano/Micro Engineerd and Molecular Systems (NEMS), Matsushima, Japan, 17-20 April, (2016), A3L-E-4