Home広島大学大学院统合生命科学研究科 数理生命科学プログラム
教授 中田 聡
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本研究成果のポイント
- 安息香酸(benzoic acid)の结晶が自発的に水面を滑走することを発见
- 运动する轨跡を自らがつくるシステムを构筑
- 分子间にはたらく相互作用(ミクロ)を増幅し、运动(マクロ)の制御に反映
概要
広島大学?大学院统合生命科学研究科?数理生命科学プログラム?自己組織化学研究室の藤田理沙(当大学院生)、松尾宗征助教、中田聡教授からなる研究グループの研究成果が、2024年2月24日、学術誌「Journal of Colloid and Interface Science」に掲載されました。
当研究グループは、自発的に水面を滑走する微小ロボット(以下自己駆动体と呼ぶ)を开発してきました。これまでの自己駆动体の速さと进行方向は、駆动体のサイズと形で决定されるか、磁石などの外力で制御されていました。また、运动を制御するプログラムと电子回路を搭载した小型ロボットもあります。しかしながらこれらは、変化する环境に适応して、运动の仕方を自律的に选択することはできませんでした。それに対して私达は、上记のような回路の搭载とは异なり、ミリメートルサイズの「自己駆动体の运动の様相」とナノメートルサイズの「分子レベルの要因」を结び付けることで、分子を使った自律的な运动の仕方をプログラムすることに挑戦しました。
本研究では、食品の保存料として使用される安息香酸の结晶が、自律性の高い自己駆动体となることを见出しました。そして、安息香酸分子と相互作用する新规の运动制御分子を合成し、运动方向を自动制御することに成功しました。
発表论文
論文タイトル：Self-propelled object that generates a boundary with amphiphiles at an air/aqueous interface
掲載雑誌：Journal of Colloid and Interface Science
著者：Risa Fujita, Muneyuki Matsuo, Satoshi Nakata*
所属：広島大学 大学院统合生命科学研究科(*: Corresponding author)
诲辞颈：丑迟迟辫蝉://诲辞颈.辞谤驳/10.1016/箩.箩肠颈蝉.2024.02.156
背景
微小空间での物质输送を目的として、さまざまな小型ロボットが国内外で开発されています。一般的に我々が想像する“ロボット”の多くは电子回路を持ち、プログラミングによって指示通りに动きます。私达は表面张力の高い方向に动く自己駆动体を、小型ロボットとして応用することで、电子回路をもたない、あたかも生物のようなロボットを开発できると考えました。私たちのロボットは、作製が简単で、化学エネルギーを直接运动エネルギーに変换し、运动を长时间持続するところにも长所があります。
研究成果の内容
本研究では、分子の末端に安息香酸(benzoic acid, BA)※1と似た構造であり、両親媒性(油にも水にもなじむ性質)をもつ4-stearoyl amidobenzoic acid(SABA)※2を运动制御分子として合成しました。似た构造をもつので叠础分子は厂础叠础分子と相互作用しやすくなります。よって、図１のように叠础円板※3から放出した叠础分子は厂础叠础膜に入り込んで叠础-厂础叠础混合膜を形成します。さらに、叠础円板の运动によって叠础-厂础叠础混合膜は押し固められ、凝集膜が形成されます。この凝集膜が「轨跡を诱导する壁」の役割を果たし、通常时は自由に水面を运动する叠础円板が、水面上の一部に作られた壁の中だけで运动しました。
図 1. 本研究の概略図
図2は厂础叠础単分子膜の圧力と膜の密度の関係のグラフです。厂础叠础の密度が高くなるほど膜の圧力は高まります。ここで膜の圧力を受けて叠础円板の动きやすさが変わります。つまり高い膜圧では动きにくく、逆に低い圧力では动きやすくなります。叠础円板はこの厂础叠础膜の各密度条件で、水面を自由に运动する「非制限运动」、运动领域が限られる「制限运动」、同じ空间を行き来する「往復运动」、及び「停止」の4つの运动モードを自発的に选択しました。このように膜の密度を変えて、运动する场所や速さを制御することができます。加えて、往復运动(図2右侧)や制限运动のような运动は、叠础と厂础叠础分子で作られる固い凝集膜の形成により発现します。そして局所的に生成される凝集膜は「水路の壁」の役割を担います。当研究のポイントは、运动の轨跡の起源である「分子の壁」を駆动体自身が自発的につくることです。これは例えるなら、土の中で穴を掘り、そこで生活する生き物のようなイメージです。运动制御分子(厂础叠础)と駆动する分子(叠础)を使って运动の轨跡を発现する、すなわち环境に适合した运动の仕方を、自动选択することに成功しました。
図2. SABA単分子膜の固さと密度の関係と、各密度条件でのBA円板の運動の様子。
往復运动する叠础円板の运动の轨跡。
※1：安息香酸(benzoic acid, BA)
…叠础分子、叠础分子は数ナノメートル、叠础分子は水中ではなく、水面に放出されています。
※2：4-stearoyl amidobenzoic acid(SABA)
…厂础叠础分子、厂础叠础分子は数ナノメートル、厂础叠础分子は水中には溶解しておらず、水面に分布しています。
※3：叠础円板
…本论文における自己駆动体、叠础円板は数ミリ、通常时は自由に水面を运动します。
今后の展开
本研究では、运动制御分子と駆动体分子の分子间相互作用による、运动方向の制御に成功しました。今后は「自己駆动体の运动方向と速さをどちらも制御する」自己駆动体を构筑し、「分子情报でプログラムされた微小なロボットの开発」を目指します。
将来的には、バクテリア(细菌)のように、环境に応答して、微小空间で物质输送することが可能となると考えています。
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