DMREF/Collaborative Research: DNA-based Sensing, Communicating, and Phase-Separating Materials

DMREF/合作研究:基于 DNA 的传感、通信和相分离材料

基本信息

  • 批准号:
    1921881
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 126.87万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2019-10-01 至 2024-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Robotic materials are an emerging class of materials that integrate actuation, sensing, communication, and computing functions. Examples include artificial skins with embedded electronics for sensing, and composites with adaptive texture morphing for camouflage. While there has been significant progress in developing macroscopic robotic materials, integrating robotic functions at the nano to microscale remains a challenge. DNA is as an excellent candidate for creating such robotic nanomaterials because it enables fabrication of nanostructures with unprecedented complex geometry and reconfigurability. This Designing Materials to Revolutionize and Engineer our Future (DMREF) award supports fundamental research to enable development of robotic DNA materials with sensing, communicating, and phase separating functions, integrating multidisciplinary expertise in DNA nanotechnology, single molecule measurements, and molecular modeling. The team will create DNA nanostructures that sense the local environment and assemble those structures into larger systems that transmit signals or exhibit collective behaviors. This will enable materials that change their structure, adapt their properties, or modify their environment in response to external triggers, which could have a range of applications in nanomanufacturing, biological sensing, energy harvesting or storage, lab-on-a-chip systems, and drug delivery. This project will also provide unique training opportunities to graduate and undergraduate students in DNA nanotechnology, molecular robotics, single-molecule measurements, and multi-scale modeling. The researchers will organize workshops to facilitate sharing of new materials design and modeling methods and develop curricula in robotic nanomaterials. Furthermore, this project's findings will be integrated into outreach programs in Central Ohio and North Carolina to generate interest in science and engineering from the next generation workforce.Robotic materials that integrate sensing, actuation, and communication and processing of information at nano- to microscales can provide many technological benefits to society, with applications ranging from nanomanufacturing to medicine. This research investigates the forces, signals, and mechanisms that enable the development of DNA-based robotic materials that sense forces under various loading conditions, communicate signals over long distances, and exhibit phase separating functionalities. To achieve these functions, the team will leverage the well-defined nanoscale geometry and dynamic properties of DNA nanostructures and the specificity and programmability of DNA binding interactions. Multi-scale molecular modeling methods will guide the design of DNA devices with targeted structural, mechanical, and dynamic properties with feedback from single molecule characterization methods. The team will create materials via hierarchical self-assembly that leverage individual device properties and interactions between devices to expand sensing capabilities, transmit signals via propagated conformational changes, and exhibit collective behaviors driven by local interactions. This will provide a foundation to develop new and complex robotic materials from the nano- to micron-scale that operate at room temperature in aqueous environments.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
机器人材料是一种集成了驱动、传感、通信和计算功能的新兴材料。例子包括具有用于传感的嵌入式电子器件的人造皮肤,以及具有用于伪装的自适应纹理变形的复合材料。虽然在开发宏观机器人材料方面取得了重大进展,但在纳米到微米尺度上整合机器人功能仍然是一个挑战。DNA是创造这种机器人纳米材料的绝佳候选者,因为它能够制造具有前所未有的复杂几何形状和可重构性的纳米结构。该奖项旨在支持基础研究,以开发具有传感,通信和相分离功能的机器人DNA材料,整合DNA纳米技术,单分子测量和分子建模的多学科专业知识。该团队将创建DNA纳米结构,以感知局部环境,并将这些结构组装成更大的系统,以传输信号或表现出集体行为。这将使材料能够改变其结构,适应其特性,或响应外部触发而改变其环境,这可能在纳米制造,生物传感,能量收集或存储,芯片实验室系统和药物输送中有一系列应用。该项目还将为DNA纳米技术,分子机器人,单分子测量和多尺度建模的研究生和本科生提供独特的培训机会。研究人员将组织研讨会,以促进新材料设计和建模方法的共享,并开发机器人纳米材料课程。此外,该项目的研究成果将被整合到俄亥俄州中部和北卡罗来纳州的外展计划中,以激发下一代劳动力对科学和工程的兴趣。机器人材料集成了纳米到微米尺度的传感、驱动、通信和信息处理,可以为社会提供许多技术益处,应用范围从纳米制造到医学。这项研究调查的力量,信号和机制,使基于DNA的机器人材料的发展,感测力在各种负载条件下,长距离通信信号,并表现出相分离功能。为了实现这些功能,该团队将利用DNA纳米结构的明确定义的纳米级几何形状和动态特性以及DNA结合相互作用的特异性和可编程性。多尺度分子建模方法将指导DNA器件的设计,具有目标结构,机械和动态特性,并具有来自单分子表征方法的反馈。该团队将通过分层自组装来创建材料,这些材料利用单个设备的特性和设备之间的相互作用来扩展传感能力,通过传播的构象变化来传输信号,并表现出由局部相互作用驱动的集体行为。该奖项反映了NSF的法定使命,通过使用基金会的知识价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Accelerating the characterization of dynamic DNA origami devices with deep neural networks.
  • DOI:
    10.1038/s41598-023-41459-w
  • 发表时间:
    2023-09-14
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
  • 通讯作者:
Integrated computer-aided engineering and design for DNA assemblies
  • DOI:
    10.1038/s41563-021-00978-5
  • 发表时间:
    2021-04-19
  • 期刊:
  • 影响因子:
    41.2
  • 作者:
    Huang, Chao-Min;Kucinic, Anjelica;Castro, Carlos E.
  • 通讯作者:
    Castro, Carlos E.
Thermally reversible pattern formation in arrays of molecular rotors
分子转子阵列中热可逆图案的形成
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    6.7
  • 作者:
    DeLuca, Marcello;Pfeifer, Wolfgang G.;Randoing, Benjamin;Huang, Chao-Min;Poirier, Michael G.;Castro, Carlos E.;Arya, Gaurav
  • 通讯作者:
    Arya, Gaurav
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    6.7
  • 作者:
    Kucinic, Anjelica;Huang, Chao-Min;Wang, Jingyuan;Su, Hai-Jun;Castro, Carlos E.
  • 通讯作者:
    Castro, Carlos E.
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A Learning-Based Hybrid Framework for Dynamic Balancing of Exploration-Exploitation: Combining Regression Analysis and Metaheuristics
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  • 作者:
    E. Vega;Ricardo Soto;Broderick Crawford;Javier Peña;Carlos Castro
  • 通讯作者:
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  • 通讯作者:
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  • 发表时间:
    2012
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  • 作者:
    M. Luengo;D. Pastor;Carlos Castro;E. Faure;T. Savy;B. Lombardot;J. L. Rubio;L. Duloquin;M. Ledesma;P. Bourgine;N. Peyriéras;Andrés Santos
  • 通讯作者:
    Andrés Santos
The Born approximation in the three-dimensional Calderón problem
三维 Calderón 问题中的玻恩近似
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    10.1016/j.jfa.2022.109681
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    2022-12-15
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  • 通讯作者:
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