Construction of micro-mechanical machine based on nonlinear dynamics

• Project/Area Number: 16K13655
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Nano/Microsystems
• Research Institution: Doshisha University
• Principal Investigator: Kenichi Yoshikawa 同志社大学, 研究開発推進機構, 客員教授(嘱託研究員) (80110823)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2018: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2017: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2016: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: ミクロ直流モータ / 直流ポンプ / 非線形発振 / limit cycle / 分岐現象 / 無接点モータ / 化学－機械エネルギー変換 / 光振り子 / 化学-機械エネルギー変換 / 化学―機械エネルギー変換 / 非線形ダイナミクス / 自律運動 / マイクロモータ / エネルギー変換 / 光駆動モータ

Outline of Final Research Achievements

The target of the present study is to construct micro-scaled mechanical machine with the scale of micrometer to centimeter. The main results are summarized as follows: 1) Rotational motor driven by constant DC voltage. Construction of rotational motion of sub-millimetre scale working in an organic solvent. 2) Photo induced fluid pumping and rotary motion. 3) Self-propelled motion induced by chemical potential under isothermal condition. It was found that cm-sized organic droplets undergo synchronized motion, both up-down motion and translational motion.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

２０世紀初頭、Einsteinは、Brown運動の理論を構築したが、これは線形非平衡の枠組みであった。近年、Jarzynskiが、線形関係の破れが、仕事の効率の限界に直接関係することを示すなど、非平衡物理学は発展してきてはいる。しかしながら、マイクロなスケールで、高効率で運動する機械を創出するといった、基本的な課題については未だ初歩な段階に留まっている。本研究では、非線形特性を活用することにより、マイクロスケールの「ゆらぎ」から、マクロな秩序運動をとりだすといったことをターゲットにして、国際的にみても先導的な研究を進めることができている。

Research Products

• [Int'l Joint Research] The Graduate Center, City Univ. New York(米国)
• [Journal Article] 高分子が創り出す“生命らしさ" (2020)
  • Author(s): 吉川研一
  • Journal Title: 高分子 Volume: 69 Pages: 141-144
• [Journal Article] ナノの世界からマクロの世界を動かす：見えない分子から巨視的な動きへ (2020)
  • Author(s): 吉川研一
  • Journal Title: CSJカレントレビュー 「有機・無機材料の相転移ダイナミクス」 Volume: 35 Pages: 25-36
• [Journal Article] Self-Synchronous Swinging Motion of a Pair of Autonomous Droplets (2019)
  • Author(s): Sato Shiho、Sakuta Hiroki、Sadakane Koichiro、Yoshikawa Kenichi
  • Journal Title: ACS Omega Volume: 4 Issue: 7 Pages: 12766-12770
  • DOI: 10.1021/acsomega.9b01533
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cracking pattern of tissue slices induced by external extension provides useful diagnostic information (2018)
  • Author(s): Danno Keisuke、Nakamura Takuto、Okoso Natsumi、Nakamura Naohiko、Iguchi Kohta、Iwadate Yoshiaki、Kenmotsu Takahiro、Ikegawa Masaya、Uemoto Shinji、Yoshikawa Kenichi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 8 Issue: 1 Pages: 12167-12173
  • DOI: 10.1038/s41598-018-30662-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Specific Spatial Localization of Actin and DNA in a?Water/Water Microdroplet: Self-Emergence of a Cell-Like Structure (2018)
  • Author(s): Nakatani Naoki、Sakuta Hiroki、Hayashi Masahito、Tanaka Shunsuke、Takiguchi Kingo、Tsumoto Kanta、Yoshikawa Kenichi
  • Journal Title: ChemBioChem Volume: 19 Issue: 13 Pages: 1370-1374
  • DOI: 10.1002/cbic.201800066
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Emergence of Pendular and Rotary Motions of a Centimeter-Sized Metallic Sheet under Stationary Photoirradiation (2018)
  • Author(s): Y. Harada, K. Koyoshi, H. Sakuta, K. Sadakane, T. Kenmotsu, K. Yoshikawa
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 122 Issue: 5 Pages: 2747-3752
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b11123
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cooperative standing-horizontal-standing reentrant transition for numerous solid particles under external vibration (2018)
  • Author(s): Takatori Satoshi、Baba Hikari、Ichino Takatoshi、Shew Chwen-Yang、Yoshikawa Kenichi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 8 Issue: 1 Pages: 437-448
  • DOI: 10.1038/s41598-017-18728-6
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Optical Fluid Pump: Generation of Directional Flow via Microphase Segregation/Homogenization (2018)
  • Author(s): Sakuta Hiroki、Seo Shunsuke、Kimura Shuto、Hoerning Marcel、Sadakane Koichiro、Kenmotsu Takahiro、Tanaka Motomu、Yoshikawa Kenichi
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry Letters Volume: 9 Issue: 19 Pages: 5792-5796
  • DOI: 10.1021/acs.jpclett.8b01876
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spontaneous Oscillations and Synchronization of Active Droplets on a Water Surface via Marangoni Convection (2017)
  • Author(s): Chen Yong-Jun、Sadakane Koichiro、Sakuta Hiroki、Yao Chenggui、Yoshikawa Kenichi
  • Journal Title: Langmuir Volume: 33 Issue: 43 Pages: 12362-12368
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.7b03061
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] ナノの世界からマクロの世界を動かす:見えない分子から巨視的な動きへ (2017)
  • Author(s): Sakuta Hiroki, Magome Nobuyuki, Yoshikawa Kenichi
  • Journal Title: CSJ Current Review Volume: 26 Pages: 28-36
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Rotary motion of a micro-solid particle under a stationary difference of electric potential (2016)
  • Author(s): Tomo Kurimura, Seori Mori, Masako Miki and Kenichi Yoshikawa,
  • Journal Title: The Journal of Chemical Physics Volume: 145 Issue: 3 Pages: 034902-034902
  • DOI: 10.1063/1.4958657
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Self-emergence of primitive cell and cellular mini-organoids under crowding environment (2019)
  • Author(s): Kenichi Yoshikawa
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会年会
  • Invited
• [Presentation] 反応拡散系での時間および空間の離散効果 (2019)
  • Author(s): 吉川研一
  • Organizer: 非線形ソフトマター研究会
  • Invited
• [Presentation] Constructing Stable 3D Cell-Assembly without any Artificial Scaffold (2018)
  • Author(s): 吉川研一
  • Organizer: Kick-Off Symposium: Center for Integrative Medicine and Physics (iCeMS-CiMPhy)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] How does liquid-crystalline ordering create biological functions? (2018)
  • Author(s): 吉川研一
  • Organizer: 27th International Liquid Crystal Conference (ILCC2018)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 生物ができるのにヒトにはできないこと：生命に学ぶ未踏技術 (2018)
  • Author(s): 吉川研一
  • Organizer: The Cutting Edge (けいはんなリサーチコンプレックス）
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Emergence of Cell-Like Structure & Function under Crowding Condition (2017)
  • Author(s): 吉川研一
  • Organizer: The International Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 生命・医学と物理の架け橋：DNAから形態形成まで (2017)
  • Author(s): 吉川研一
  • Organizer: 京都府立医大特別講演
  • Invited
• [Presentation] 混雑するミクロ環境下で働くゲノムDNA (2016)
  • Author(s): 作田 浩輝
  • Organizer: 第６７回コロイドおよび界面化学討論会
  • Place of Presentation: 北海道教育大学旭川校、北海道旭川市
  • Year and Date: 2016-09-22
• [Presentation] 油滴の水面上での自発運動：往復直線運動と回転運動のモード分岐 (2016)
  • Author(s): 佐藤 志帆
  • Organizer: 第６７回コロイドおよび界面化学討論会
  • Place of Presentation: 北海道教育大学旭川校、北海道旭川市
  • Year and Date: 2016-09-21
• [Presentation] 直流駆動型無接点回転モータ (2016)
  • Author(s): 森 世織
  • Organizer: 第7７回 応用物理学会 秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ、新潟県新潟市
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] Pendulum with cm-sized solid substrate Driven by laser (2016)
  • Author(s): 小吉 圭祐
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 石川県金沢市
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] Evaluation of the Springs Phenomenon with Instability near Criticality (2016)
  • Author(s): 木村宗斗
  • Organizer: 第7７回 応用物理学会 秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ、新潟県新潟市
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] 溶液中マイクロスケール粒子のレーザー光による輸送 (2016)
  • Author(s): 妹尾駿佑
  • Organizer: 第7７回 応用物理学会 秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ、新潟県新潟市
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] 油滴と金属複合体の定常レーザによる自律運動 (2016)
  • Author(s): 原田優吾
  • Organizer: 第7７回 応用物理学会 秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ、新潟県新潟市
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] 生物に学び生物を越える：新しいミクロ科学の開拓 (2016)
  • Author(s): 吉川 研一
  • Organizer: KICK (けいはんなオープンイノベーションセンター）交流会
  • Place of Presentation: KICK, 京都府木津川市
• [Remarks] 同志社大学生命物理科学研究室ホームページ
  • URL: http://dmpl.doshisha.ac.jp/
• [Remarks] 同志社大学生命科学部 生命物理学研究室ホームページ
  • URL: http://dmpl.doshisha.ac.jp/
• [Remarks] 同志社大学生命医科学部生命物理科学研究室
  • URL: http://dmpl.doshisha.ac.jp/papers_old