特集：ナノ・バイオ融合 2

バクテリオロドプシン薄膜を用いた

Q：バクテリオロドプシンとはどんなバイオミメティックセンシングものですか。

高度好塩菌から視覚機能をつくり出す

笠井：アフリカ・セネガルのレトバ湖

未来 ICT 研究所は、新たにナノ・バイオ融合領域を立ち信号を伝える役目をもつロドプシンと上げました。生物のセンシング機能をナノテクノロジーで再現するという大望のもと、視覚機能を有するバイオミメ
ティックセンシングは重要なコア技術です。ICT での活用に生息している高度好塩菌が光エネルギー変換のために使っている紫色の物質です。動物の視細胞にあり視神経にいう物質によく似ているため、バクテリオロドプシン（bR）と呼ばれています（図1）。

が期待されるロボットの眼への応用を目指して、バクテリオロドプシンを使った新たな視覚機能を研究開発しているナノ ICT 研究室の笠井主任研究員を訪ねました。

図 1 精製したバクテリオロドプシン

ナノICT 研究室
主任研究員

笠井 克幸
Kasai Katsuyuki

博士（工学）略歴1984 年、大学院 修 士課程 修了後、郵 政 省電波研究所（ 現 NICT）入 所。鹿 島 支 所 衛星管 制 課 第 4管
制 係 勤 務 を 経て、1991年 より関 西 先 端 研 究 セン
ター（現未来 ICT 研究所）に勤務、現在に至る。その 間、1988 〜 89 年 宇 宙 開 発 事 業 団 客員 開 発 部員、1994 〜 96 年 フ ラ ン ス Laboratoire Kastler
Brossel, ENS et UPMC客員研究員。2002年レーザー学会業績賞・論文賞受賞。
研究分野
バイオエレクトロニクス、非線形光学、レーザー制御、量子光学
近況
某コーヒー博物館にて、コーヒー博士に認定されました。次はコーヒーマイスターにチャレンジできればと思います。朝はやっぱり缶コーヒーですよね。

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活を見守ったりすることは現実味を帯びてきています。リモートコントロー
ル時にも、ロボット自身が自分で判断して目の前の障害物や危険を避ける必要があります。それには、視覚の情報をもとにした自律型の瞬時の運動制御が必要なので、視覚−運動制御機能をもつセンシングシステムはとても重要なコア技術になるはずです。
bR のセンサはレーザー光の検出にも使える。その実験の様子。

Q：bRは視覚センサとしてどのような+る方法を使っています。ディップコー

ところが優れているのですか。

イオン）を菌の体外にはき出し、光がト法は、引き上げる速さによって自由笠井：bRを利用した視覚センサは、エッ消えるとプロトンを吸い込む「プロトに厚さが調整でき、bRの分子もある程ジ（輪郭）やコントラストの変化の検ンポンプ」という機能があります。つ度整列させることができます（図3）。

出が得意です。これまで主に使われてbRには、光が当たるとプロトン（Hきた視覚センサとしてCCDやCMOSまり、光が当たると電流が流れ、消えると逆向きに流れるのです。ヒトの網

Q：bRのセンサはどのようなことに応のイメージセンサがありますが、それ膜にあるロドプシンにも同じ機能があ用できるのですか。

らは検出したイメージを平面の1枚絵りますが、ヒトのロドプシンは一度光

笠井：私はbRがロボットの眼に応用でとしてしか認識できないため制御に用に当たると分解してしまい、元に戻るきると期待しています。ロボットは30いる演算処理を必要とし、すでにあるのに時間がかかります。しかし、bRは年後には一家に1台設置されるほど普ロボットでは階段の縁を認識するため分解せずに光化学反応サイクルが回っ及する可能性があります。今から30年の処理がうまくできずに上り下りにもて再生するため、実用的にもより使い前、パソコンがこれほどまでに家庭に苦労しています。その点、bRのセンサやすい物質と言えます。

普及するとは思いもしませんでしたか

ならば、エッジやコントラストの変化ら、十分あり得る話だと思います。

を瞬時に見つけ出し、凹凸でつまずく

高度好塩菌から精製したbR溶液は、電流を通すガラス（ITOガラス）の上で特に、日本は高齢化が進み、介護にことはありません。このように、光の薄膜にすると、光を検知して電流を発大きな負担がかかるでしょう。高度な信号を捉えて画像化する機能だけでな生させるセンサになります（図2）。薄

人工知能を搭載した介護ロボットが登く、視覚の情報をもとに行動や運動を膜をつくるには、ディップコート法と場するにはまだまだ時間がかかると思制御することも、視覚の重要な機能ないう、bR溶液からITOガラスを引き上いますが、ICTを使ってリモートコンのです。

げるときの表面張力によって薄膜にすトロールで介護をしたり、ふだんの生フォトン数個レベルでbR分子が反応

H+H+

光

引き上げ中の ITO
膜付きガラス基板
上部透明電極
電解質溶液
下部電極

図28

例えば、昆虫は外の世界をきわめてbR を利用した視覚機能センサの概念図

KARC FRONT vol.23 2012 SPRING

図 3 ディップコート法。ゆっくり引き上げる ほ ど 薄 い 膜 に な る。
（紫色は bR 溶液）

図 4 地平線へ向かって飛んでいる昆虫が見ているオプティカルフロー

特集：ナノ・バイオ融合 2

粗い像でしか見ていないのですが、オプティカルフローと呼ばれる像の流れ
図 5 bR を利用した新たな視覚機能をもつセンサで右へ移動するオブジェクトを見たときのシミュレーション。進行方向が強調され、移動方向が瞬時に認識できる。
（Simulation
by Prof. Aida and Dr. Katagiri）

図 6 ICT を用いた介護ロボットによる安心な老後生活

実際に、欧米では無人航空機や月着陸リー駆動の介護用ロボットには最適な型の作製に向けて実験を繰り返してい船の研究開発においてオプティカルフ

低コストの視覚−運動制御システムのます。

ローを利用して低空飛行のときに障害構築が期待できるのです。のパターンを検出して即座に運動を制御しています。ハエが俊敏にハエタタキを避けられるのも、このオプティカルフローを利用しているからなのです。

さらにこのセルに使うbRとして、特物を避ける技術に応用しようとしていbRには、もう1つバイオ材料として性の違うものを組み合わせることにます。それには超高性能なイメージセ優れたところがあります。それは廃棄よって、演算処理をしなくても物体のンサと高速のコンピュータを使って演しても地球環境に悪影響を及ぼさない移動方向の先端が強調されて検出でき算させていますが、それを使ってもな点です。これからの産業は廃棄のこることが、シミュレーションからわお演算に時間がかかり消費電力も非常とも考え、環境に負荷を与えるものでかってきました（図5）。この新たな視にかかってしまう上に、ある程度の搭あってはならないと思います。bRのみ

覚機能を実用化できれば、介護ロボッ載スペースを必要とするそうです。

ならず、バイオ材料ならば持続可能なトの眼として、信号制御に直接利用で開発が期待できます。

きるようになると思います。

つかのセンサをまかなえる可能性を秘

Q：これまでの研究でどれだけの性能

Q：これからのバイオセンシング技術めています。現在、自律移動型のロボッが実現されていますか。の展望についてお聞かせ下さい。

トは、画像化のためにイメージセンサ

笠井：人間の眼と同じような構造のも笠井：日本のロボット技術はかなり優を、奥行きなどの情報を集めるためにのをbRでつくれば、人間の眼と同じよれているので、ロボット技術とバイオレーダーを、角度や角速度を検出する

うな応答ができるのではないかと考え

センシング技術、ICT技術を組み合わためにジャイロスコープをそれぞれ運ました。

せて産官学で連携していければと思っまた、オプティカルフローを検出できる視覚機能センサは、それ1つでいく動制御のために積んでいます。しかし、人間の網膜は興奮領域と抑制領域に昆虫はこれらの器官をもっていないの分かれており、これらをうまく使うこ

例えば、パソコンをインターネットに、オプティカルフローによって行動とによってコントラストの変化やエッにつなぐとき、標準化された規格があや運動の制御をしています（図4）。

ジを検出しています。これをヒントに、ります。同様に、ロボットを各家庭か私はbRにもオプティカルフローを検

bR薄膜を興奮領域と抑制領域に分け、らインターネットにつなごうとする出する能力があると考えています。こそれぞれ光が当たったときに逆の方向と、ロボットICTの標準化技術が必要れができるようになれば、低コストでに電流が流れるようにしました。このになってくると思います。こういう場自律移動型ロボットの運動制御のためセルの上でエッジを動かしたとき、抑面では、国の政策が必要になってくるの視覚機能センシングシステムを提供制領域ではマイナスの電流が流れ、興部分もあるので、NICTが関わっていくで き る よ う に な り ま す。 さ ら に、 搭奮領域に入るとプラスのほうにシフト必要性はとても大きいと考えています。

載スペースを必要とする高速のコンすることを確かめました。このセルはバイオミメティックセンシング技術でピュータも必要ありませんし、そのう人間の視覚の細胞に相当するため、適ICTを用いた介護ロボットが各家庭にえ、センサ自体は電源を必要としない切に配置することによって人間の眼に普及して、安心な老後生活が迎えられので、一家に1台置けるようなバッテ近いものがつくれます。現在、アレイることを期待しています（図6）。ています。

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