Effective active stress in collective behaviours of active matters

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K03874
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13040:Biophysics, chemical physics and soft matter physics-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Yoshinaga Natsuhiko 東北大学, 材料科学高等研究所, 准教授 (90548835)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: アクティブマター / 非平衡物理 / 生物物理 / 自己駆動粒子 / 非線形ダイナミックス / 集団運動

Outline of Final Research Achievements

In this project, we have performed numerical simulations and theoretical analyses for collective behaviours of active matters. A particular focus is on how the microscopic dynamics of self-propelled particles are related to macroscopic quantities. We have performed numerical simulations and mean-field-type analyses for the collective motions of bacteria and computed effective diffusion constants and macroscopic responses to external fields. The results were compared with experiments, and we found a qualitative agreement. We have also studied, using machine-learning techniques, coarse-graining and estimation of parameters in macroscopic equations from the data of microscopic particle dynamics.

Free Research Field

ソフトマターの物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

アクティブマターは、非平衡状態でエネルギーを消費し環境に散逸しながら秩序を持った集団運動を実現するシステムである。平衡系とは異なり、アクティブマターには自由エネルギーのような最小化するものが一般には存在しないため、自由エネルギーを積分することによってマクロな支配方程式を得ることは困難である。本研究では、ダイナミックスからどのようにマクロな方程式の係数を得ることができるのかについて理解を深めるために行った。本研究で行ったような機械学習の手法と組み合わせてマクロな方程式が系統的に導出できるようになれば、階層性のある現象についての理論的・計算科学的解析手法が広がるのではないかと考えている。