2020 Fiscal Year Research-status Report
深層パラメタ変動ダイナミクスと電荷分布依存ポテンシャル関数を用いた分子動力学法
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20K11854
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| Research Institution | University of Hyogo |
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Principal Investigator |
福田 育夫 兵庫県立大学, シミュレーション学研究科, 特任教授 (40643185)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
森次 圭 横浜市立大学, 生命医科学研究科, 特任准教授 (80599506)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 分子動力学 / 運動方程式 / 相互作用計算 / サンプリング / 数値積分 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
分子動力学 (MD) シミュレーションは，生体高分子系や機能材料系等さまざまなマクロな系の分子レベルでの解析を可能にする．本研究では，MD計算において状態サンプリング法の深化と相互作用計算の精密化を行うことで，大規模・複雑系での状態サンプリングを頑強にし，かつシミュレーション結果の信頼性を上げる．
先行研究において開発した合成系密度力学(DDD)法では，非常に計算コストのかかるイテレーション作業や，計算資源の要するレプリカ系が不要だという実用上の大きな利点がある．この手法が大規模・複雑な系において真の力を発揮するために，より頑強なサンプリングを実行し，高効率で容易なシミュレーションを実現するための技術開発を行った．生体分子系での数値的吟味を経て，高効率化するための方法として，パラメタ動力学の構築，パラメタ推定の検討，そしてエルゴード性のエンハンスのための方程式の改変法の開発を行った．
さらに，生体分子系等のヘテロで複雑な系で，信頼性の高い計算を遂行するためには，精度をさらに上げる方向の研究が必要であり，このために，従来の経験的関数にとらわれない，物理系の特徴を掴んだ，相互作用計算の精度を上げる方法を検討・開発している．先行研究で明らかになったように，しばしば用いられる周期境界条件については問題があるため，カットオフを基にした手法の有効性を取り入れる．これはまた強力なサンプリングにおいて，粒子が通常に比べ大きく動く事で招く計算精度低下の解決にもなる．
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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
DDD法に関して，溶媒分子を露わに扱ったペプチド系のシミュレーションを行い，手法で用いる近似の数値的吟味とそのダイナミクスへの影響を詳細に調べた．これを受け，環境系の分布に付随するパラメタをさらに動力学にする仕組みを検討し，微分方程式の形で定式化することに成功した．この際，所望の不変測度を持つようにベクトル場を定めた．また，ベイズ推定との関連についても検討した．
さらに，運動方程式における拡張変数の導入の仕方と摩擦項の形を新たに定式化し，サンプリングの基本であるエルゴード性のエンハンスのための方程式の改変法を開発した．ただし，単なる標準法 (Martynaらの方法) の一般化ではなく，系に潜む対称性を崩してエルゴード性を阻む要因を回避することで，サンプリングの収束を高速化する効果が十分期待される仕方を考察することで実現した．
新規相互作用計算法については，近接距離と遠方での相互作用関数形およびこれらの接続法について検討した．電荷分布情報の取り込み法と相互作用関数形への反映法を考察し，適当な関数空間を設定することの有用性を見出した．
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| Strategy for Future Research Activity |
任意の層を扱えるような，パラメタ変動ダイナミクスの構築を完成させる．環境系のポテンシャル関数を高次元曲面化することにより，頑強なダイナミクスが実現可能になることを目論む．電荷分布関数の算出法を領域毎に具体的に構築して，数値実証に進む．
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| Causes of Carryover |
（理由）主に，学会および研究打ち合わせ等のために計上していた旅費を執行しなかったため．（計画）来年度に計算機環境向上のための支出として使用する予定である．
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