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アクティブ・ネマティクスに基づく分子ロボットの逆運動学理論の構築

Publicly Offered Research

Project AreaMolecular Cybernetics -Development of Minimal Artificial Brain by the Power of Chemistry
Project/Area Number 21H05869
Research Category

Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Transformative Research Areas, Section (IV)
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

宮廻 裕樹  東京大学, 大学院情報理工学系研究科, 助教 (40881206)

Project Period (FY) 2021-09-10 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
Keywordsアクティブネマティクス / 分子モーター / 細胞骨格 / 分子ロボット / 制御工学 / アクティブ・ネマティクス / 逆運動学 / 等角写像 / トポロジカル欠陥
Outline of Research at the Start

分子ロボットの駆動力として用いられている細胞骨格・モータータンパク質の複合体は,分子が高密度になるとトポロジカル欠陥(細胞骨格の配向角度が定義できない特異点)がアクティブに特定の方向に運動するアクティブ・ネマティクスと呼ばれる現象が生じることが知られている.本研究の目的は,トポロジカル欠陥のアクティブ性に着目し,細胞骨格やモータータンパク質を基盤とした分子ロボットにおける流体運動の逆運動学モデルの構築とその系統的な解法を確立することである.

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は,細胞骨格・分子モーター系において発生するトポロジカル欠陥(配向角度が定義できない特異点)に着目し,分子ロボットの形状変化の制御理論を確立することである.本年度は,(i) 細胞骨格・分子モーター系によって形成されるアクティブネマチック流体場の計算法や(ii)分子ロボット内に夾雑物が含まれる場合の欠陥位置の生成位置制御に関する研究を遂行した.
(i)については,研究代表者らの先行研究によって構成されたネマチック液晶の配向場を陽に表現する公式を用いることで,アクティブ流体を駆動する外力項や,その結果として生成される流体の速度場を構成する計算手法を構築した.構築した計算手法は欠陥の位置を陽に考慮したものとなっており,分子ロボット内の細胞骨格・分子モーターによるアクティブな流体現象を考慮した場合の欠陥の運動軌跡の計算に応用できる.
(ii)については,分子ロボット内の夾雑物によって分子ロボットの変形の起点となるトポロジカル欠陥の位置がどのように変化し,どの程度制御可能であるかを予測するための計算法を構築した.夾雑物の大きさや形によって,分子ロボット内の欠陥の有無や生成位置の制御が可能であることを数値シミュレーションにより示した.
本研究では,分子ロボットの内部・外部の幾何学的形状を利用したロボットの形状変化の予測・制御の基礎理論を構築した.本研究課題で得られた成果は,本研究領域で研究されているSPAユニットの変形部分を担うAユニットの変形の制御などにつながることが期待される.

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (6 results)

All 2022

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 1 results) Presentation (3 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results)

  • [Journal Article] Rapid pattern formation in model cell membranes when using an electron beam2022

    • Author(s)
      Hiroki Miyazako, Takayuki Hoshino
    • Journal Title

      Colloids and Surfaces B: Biointerfaces

      Volume: 220 Pages: 112967-112967

    • DOI

      10.1016/j.colsurfb.2022.112967

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Surface-limited reactions for spatial control of kinesin-microtubule motility assays using indirect irradiation of an electron beam2022

    • Author(s)
      Hiroki Miyazako, Ryuzo Kawamura, Takayuki Hoshino
    • Journal Title

      Biomicrofluidics

      Volume: 16 Issue: 6 Pages: 064105-064105

    • DOI

      10.1063/5.0124921

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Explicit calculation method for cell alignment in non-circular geometries2022

    • Author(s)
      Hiroki Miyazako, Takaaki Nara
    • Journal Title

      Royal Society Open Science

      Volume: 9 Issue: 1 Pages: 211663-211663

    • DOI

      10.1098/rsos.211663

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 複素関数論に基づくアクティブネマチック流体の配向・速度場の計算理論2022

    • Author(s)
      宮廻裕樹, 奈良高明
    • Organizer
      第6回分子ロボティクス年次大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Predictive Design of Orientational Order in Confined Active Nematic Materials2022

    • Author(s)
      Hiroki Miyazako, Kohei Tsuchiyama, Takaaki Nara
    • Organizer
      2022 MRS Fall Meeting & Exhibit
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 等角写像の最適化によるアクティブ・ネマティクスにおける欠陥位置制御2022

    • Author(s)
      宮廻裕樹, 奈良高明
    • Organizer
      第34回自律分散システム・シンポジウム
    • Related Report
      2021 Annual Research Report

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Published: 2021-10-22   Modified: 2023-12-25  

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