2020 Fiscal Year Annual Research Report
スケールアップモデルで探る細菌のメカニカルデザイン
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18H01192
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| Research Institution | Ritsumeikan University |
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Principal Investigator |
和田 浩史 立命館大学, 理工学部, 教授 (50456753)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 弾性シェル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、とくに円筒形の弾性シェルが持つさまざまな力学的特性や不安定性を、定量的なマクロ模型実験（計測）と詳細な計算機シミュレーション、および理論的考察を組み合わせて総合的に明らかにすることを目指してきた。その背景には、細菌などの微生物および植物の細胞など、堅固な細胞壁を有する生物細胞が持つ力学的強さと柔軟さの起源を明らかにし、その生物学的な機能の仕組みを物理学の言葉で理解しようという目的がある。その文脈で、当初、膨圧の効果に注目し、内圧を受けて膨張した弾性シェルを安定的に準備し、圧力を制御しつつその力学的性質を調べるという研究計画を提案していた。しかし、これまでのところ、この方向ではあまり精度の高い実験系の作成と計測には至っていない。他方、主に円筒形のシェルに注目することで、内圧の有無にかかわらず、これまでに興味深い研究成果をいくつも得ることができている。研究期間の３年目にあたる今年度は、まず、２年目に精力的に研究を進めたスナップフィット系（円筒シェルを別の円筒にはめ込む過程）の成果をまとめ論文として出版した。また、Rotational Erection System (RES) とよばれる、平面にエンコードされた折り目と切り目のパターンにしたがって、平面から安定した3次元の立体構造を生み出す一連のデザインに注目し、これの力学的な特性をマクロ模型実験と計算機シミュレーションおよび理論解析を組み合わせて明らかにした。あらかじめ平面に描いた折切り線のパターンを利用して一気に3次元構造をつくりあげる手法は、フォトニクスやフレキシブル電子基板などのマイクロからナノスケールの技術分野でも新技術として独立に進展し注目されており、それらのプロセスにおける基礎的な力学的理解を与える成果である。本年度得られたこれらの成果は現在論文としてまとめており、近日中に公開予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
計画3年目の今年度も、曲率を持つ弾性シェルにかんする研究が進展し、成果を得ることができた。ひとつめは、2年目に大部分の結果を得たスナップフィットにかんする研究成果を細部にわたって詰めていき、出版まで達成した。さらに、切り紙と折り紙を組み合わせて、平面から3次元構造を生み出すデザインであるRESについて、模型作成、力学応答の計測実験、有限要素解析、スケーリング理論を組み合わせてその力学特性を詳細に明らかにした。その結果を論文原稿としてまとめるところまで到達した。また、細菌のメカニカルデザインというテーマにより忠実な研究課題としては、細菌の鞭毛が円筒形の菌体にまきつくという新しい微生物学的運動モードが発見されたが、その弾性力学的不安定性を水槽内でのマクロ実験で調べている。今年度は、模型作成から開始し、弾性不安定性を再現するところまで到達した。以上の成果にもとづき「おおむね順調に進んでいる」と結論した。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度には、おもに次の２つのテーマを進める予定である。ひとつは曲率を持った弾性シェルの非線形力学である。これまでの研究期間で、円筒形のシェル構造が示すスナップフィットや切り折り紙が示す双安定性およびその飛び移り転移などについて成果を得ることができた。これは研究課題として提案していた「大変形に対する応答：不安定性の抑制、増幅とその仕組みの解明」に沿ったテーマの成果であるが、そこから派生してより多くの結果を得ることができた。このテーマの周辺にはまだ豊富で魅力的な力学の問題がたくさん残されており、残りの期間ではそれらの探索をさらに進めたいと考えている。
二つ目は、細菌のメカニカルデザインというテーマにより忠実な研究課題として、細菌の鞭毛をモデル化した弾性ヘリックスのトルク不安定性とまきつき転移のテーマを推進する。これまでに、不安定性を水槽内でのマクロ実験にて再現するところまで到達している。今年度は、液体をグリセリンに置換し、バクテリアの経験する物理的環境に近いパラメータ領域でのふるまいを調べ、その仕組みを解明する。
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