Systematic Design, Analysis and Control of Manufacturable Nano Machines

可制造纳米机器的系统设计、分析和控制

基本信息

  • 批准号:
    1635103
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 35万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2016
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2016-09-01 至 2022-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Nature developed a way to combine 22 amino acids and build the molecular machinery responsible for carrying out essentially all of the critical functions in living things. Inside every living cell, ribosomes take genetic data as "assembly instructions" to assemble long chain molecules that fold into 3-dimensional structures whose dynamic properties underlie their biological functions. However, designing and building artificial nanomachines with prescribed functions for performing tasks in medical, environmental and industrial arenas remains a challenge, partly because the design principles developed by nature through evolution are not well understood and hence not applicable to engineered nanomachines. What scientists agree on is that, similarly with how the concept of interchangeable parts designed to precise specifications fueled the manufacturing revolution, the ability to custom design, control, and fabricate nanomachines with prescribed functions will lead to a new revolution in engineering, medicine, and biotechnology. However, we simply do not know today how to design and control artificial nanomachines. This project aims to develop a theoretical and computational framework to systematically design, and analyze manufacturable molecular machines with prescribed mobility and function obtained from a predefined library of molecular components. If successful, this research will provide the framework and computational tools to systematically explore the design space of synthetic and controllable molecular machines and devices, potentially leading to novel molecular motor functions that can be used to develop smart nanorobots and materials. One key observation is that the design of nanomachines is primarily a combinatorial problem in which a finite number of building blocks are to be self-assembled into a functional structure, whereas the macro-scale design is a continuum one in which systems can be designed and fabricated to prescribed dimensions as well as physical properties. Therefore, this research will develop a systematic design process and computational framework to: (1) formalize the derived function of nanomachines in the form of motion specifications of output link(s); (2) design, and analyze irreducibly simple nanomachines with prescribed motion specification (one degree of freedom) by combining available nano-components into systems having constrained, and consequently controllable motions; (3) explore control mechanisms to manipulate the motions of these machines via external physical stimuli; (4) explore strategies to functionalize these systems into functional nanomachines by exploiting their motions individually or as part of an ensemble. The initial efforts of this research have already led to the discovery of two structures that are theoretically among the simplest one degree of freedom nanomachines that can be fabricated.
大自然开发了一种结合22种氨基酸的方法,并建立了负责在生物中实现所有关键功能的分子机械。在每个活细胞内部,核糖体将遗传数据作为“装配指令”组装成长链分子,这些分子将其动态特性构成其生物学功能的三维结构。但是,设计和建造具有规定的功能以在医疗,环境和工业领域执行任务的人工纳米机器仍然是一个挑战,部分原因是自然界通过进化开发的设计原理尚不清楚,因此不适用于工程纳米机器。科学家同意的是,与旨在精确规格的可互换零件的概念相似,可以定制设计,控制和制造具有规定功能的纳米机器的能力,这将导致工程,医学和生物技术学方面的新革命。但是,今天我们根本不知道如何设计和控制人工纳米机器。该项目旨在开发一个理论和计算框架来系统设计,并通过从预定义的分子组件库中获得的规定的迁移率和功能来分析可制造的分子机器。如果成功,这项研究将提供框架和计算工具,以系统地探索合成和可控的分子机器和设备的设计空间,可能导致新型分子运动功能,可用于开发智能的纳米机器人和材料。一个关键的观察是,纳米机器的设计主要是一个组合问题,其中必须将有限数量的构件组装成一个功能结构,而宏尺度设计是连续设计的,可以设计和制造系统以规定尺寸以及规定的属性以及物理属性。因此,这项研究将开发系统的设计过程和计算框架:(1)以输出链路的运动规范形式形式化纳米机器的派生功能; (2)设计,并通过将可用的纳米组件组合到具有约束并因此可控的动作的系统中,以规定的运动规范(一个自由度)来分析具有规定运动规范(一个自由度)的不可否法的简单纳米机器; (3)探索控制机制,通过外部物理刺激来操纵这些机器的运动; (4)通过单独或作为合奏的一部分利用其动作来探索将这些系统功能化成功能性纳米机器的策略。这项研究的最初努力已经导致发现了两种结构,这些结构在理论上是可以捏造的最简单的一种自由纳米机器之一。

项目成果

期刊论文数量(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Real-Time Topology Optimization in 3D via Deep Transfer Learning
  • DOI:
    10.1016/j.cad.2021.103014
  • 发表时间:
    2021-03-15
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.3
  • 作者:
    Behzadi, Mohammad Mahdi;Ilies, Horea T.
  • 通讯作者:
    Ilies, Horea T.
Kinematic Design of Functional Nanoscale Mechanisms From Molecular Primitives
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    1
  • 作者:
    Chorsi, Meysam T.;Tavousi, Pouya;Mundrane, Caitlyn;Gorbatyuk, Vitaliy;Kazerounian, Kazem;Ilies, Horea
  • 通讯作者:
    Ilies, Horea
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  • DOI:
    10.1016/j.cad.2020.102850
  • 发表时间:
    2020-09
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Jiangce Chen;H. Ilies
  • 通讯作者:
    Jiangce Chen;H. Ilies
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  • 发表时间:
    2019-01-04
  • 期刊:
  • 影响因子:
    29.4
  • 作者:
    Chorsi, Meysam T.;Curry, Eli J.;Nguyen, Thanh D.
  • 通讯作者:
    Nguyen, Thanh D.
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  • 通讯作者:
    Horea Ilies

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知道了