ラボオンチップ向けの設計理論の確立と実用的な設計自動化システムの開発

片上实验室设计理论的建立和实用设计自动化系统的开发

• 批准号: 20H04160
• 负责人: 山下 茂
• 金额: $ 10.98万
• 依托单位: Ritsumeikan University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20H04160/
• 关键词: ラボオンチップ; MEDA; 操作エラー; 混合手法; ルーティング; DMFB; PMD; タスクスケジューリング; 関数分解

2021年度に検討を進めていた、DMFB（Digital Microfluidic Biochip）において途中で複数の液滴が使用される場合に混合する液滴の組み合わせ方を工夫するだけで分割エラーの影響を減少できる具体的な手法を実現した。実現した手法を実際に多くの希釈グラフに適用して、1 万回シミュレーションを行った。その結果、目標ノードにおける平均の濃度の誤差を、何も工夫しない場合に比べて、実現した手法は3割ほど減少できることを確認した。MEDA（Micro-Electrode Dot Array）バイオチップ上で液滴を効率的に移動させるルーティング手法に関して以下のような多くの成果を上げた。1つ目の成果は、2021年度に開発した液滴ルーティング手法を、異なる3種類以上の液滴に対応できるように拡張したことである。2つ目の成果は、液滴の移動速度が液滴の形状（アスペクト比）に依存するという性質を利用し、液滴の移動時間を最短化する単一液滴のルーティング手法を開発したことである。開発した手法により、既存手法と比較して、ルーティング時間を約15％短縮した。3つ目の成果として、液滴を途中で分割することを考慮に入れて全体の移動時間が最小となる移動方法を整数計画法により求める手法を考案した。DMFB上で試薬合成を行う手法は多く研究されているが、使用する液滴数が最小になることを保証する手法は全探索ベースの「逆手順探索法」しか知られていない。この手法は全探索を利用しているため、精度の高い濃度の混合手順を求める場合は膨大な時間が必要となる。そこで、精度の低い濃度の混合手順を再帰的に利用する手法と、一度正確に求めた混合手順をデータベースに記録して再利用する方法を提案し、その検証を行った。実験の結果、逆手順全探索に比べて計算時間が最大99%以上短縮できることを確認した。

在 2021 财年，我们正在考虑一个具体示例，说明当在 DMFB（数字微流控生物芯片）中间使用多个液滴时，如何通过简单地改变液滴的组合来减少分裂误差的影响。所开发的方法实际上应用于许多稀释图，并进行了 10,000 次模拟。结果，我们确认所开发的方法与未进行改进的情况相比，可以将目标节点处的平均浓度误差减少约 30%。我们在 MEDA（微电极点阵列）生物芯片上有效移动液滴的路由方法方面取得了许多成果，包括以下内容。第一个结果是我们扩展了 2021 年开发的液滴路由方法，使其能够处理三种或更多不同类型的液滴。第二个结果是开发了一种单液滴路径方法，该方法利用液滴移动速度取决于液滴形状（纵横比）的特性来最小化液滴行进时间。与现有方法相比，所开发的方法将布线时间减少了约 15%。作为第三个结果，我们设计了一种使用整数规划的方法来找到最小化整体移动时间的移动方法，同时考虑到液滴中途的分裂。尽管已经研究了许多在 DMFB 上合成试剂的方法，但唯一已知的保证最小化所用液滴数量的方法是基于详尽搜索的“反向程序搜索方法”。由于该方法使用穷举搜索，因此需要花费大量时间才能找到高精度的混合过程。因此，我们提出并验证了一种递归地使用低精度混合过程的方法，以及一种将准确确定的混合过程记录在数据库中并重新使用的方法。实验结果表明，与反向过程穷举搜索相比，计算时间最多可减少 99%。

项目成果

Preparing Fluid Samples under Retention Time Constraints using Flow-based Microfluidic Biochips

使用基于流的微流控生物芯片在保留时间限制下制备流体样品

• DOI: 10.1109/tcad.2023.3237980
• 发表时间: 2023
• 期刊: IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems
• 影响因子: 2.9
• 作者: Kundu;V. L. Sarvasiddi;S. Bhattacharjee;S. Yamashita and S. Roy
• 通讯作者: S. Yamashita and S. Roy

Fair方式に基づくMoldable Gangタスクの動的スケジューリングアルゴリズム

基于Fair方法的Moldable Gang任务动态调度算法

• 发表时间: 2022
• 作者: 清水智貴;西川広記;孔祥博;冨山宏之
• 通讯作者: 冨山宏之

Digital Microfluidic Biochipにおけるエラー同士の相殺を利用したエラー訂正手法

数字微流控生物芯片中使用误差消除的误差校正方法

• 发表时间: 2021
• 作者: 和田有史;山下茂
• 通讯作者: 山下茂

Efficient Sample Preparation for Programmable Microfluidic Devices with Defect Valves

具有缺陷阀的可编程微流控装置的高效样品制备

• 发表时间: 2021
• 期刊: Proceedings of Workshop on Synthesis And System Integration of Mixed Information Technologies
• 作者: Shuaijie Ying;Shigeru Yamashita
• 通讯作者: Shigeru Yamashita

拡張ネットワークフローモデルの最適な階層数を求める手法

确定扩展网络流模型最佳层数的方法

• 发表时间: 2021
• 作者: 石田滉;山下茂
• 通讯作者: 山下茂