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2022 Fiscal Year Annual Research Report

マイクロマシンの非平衡形状ゆらぎと推進機構

Research Project

Project/Area Number 21J00096
Allocation TypeSingle-year Grants
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

安田 健人  京都大学, 数理解析研究所, 特別研究員(PD)

Project Period (FY) 2021-04-28 – 2024-03-31
Keywordsマイクロマシン / 奇弾性 / 最頻経路
Outline of Annual Research Achievements

細胞内で活動する酵素や大腸菌等の微生物を、化学エネルギーを力学的仕事に変換するマイクロマシンとして捉え、非平衡統計力学的なアプローチを行ってきた。特に当該年度は「奇弾性」と「最頻経路」という概念でマイクロマシンの挙動を理解することを試みた。
初年度に引き続きマイクロマシン非平衡性を奇弾性によって表現することを検討した。特に当該年度では、奇弾性体のゆらぎについて統計的性質を議論した。このことにより、時間相関関数の時間反転対称性から物体の奇弾性を見積もる方法を考案した。これを用いて、メカノケミカルカップリングによって記述されたマイクロマシンの数値シミュレーション結果から奇弾性を定量的に抽出することができた。このような奇弾性の定量化は実際の実験データーからも行えることが期待される。
また、微生物のランダムな移動をモデル化した、アクティブブラウン粒子について最頻経路解析を行った。アクティブブラウン粒子の経路確率をOnsager-Machlup積分によって記述し、その変分問題を解くことによって、レアな遷移における最頻経路を計算した。これによって遷移時間によって経路の形が直線からU字形、ループ形へ変化することがわかった。また、この経路の形はランダムな数値シミュレーションによっても確認できた。この結果を用いることで実際の微生物のランダムな運動を理解できると期待される。
これらの結果により、ゆらぎによるマイクロマシンの振る舞いの理解が進んだ。特に奇弾性率によって典型的な振る舞いを、最頻経路問題でレアイベントを相補的に理解できた。これらの結果について、論文発表および学会発表を行い、多くの専門家の興味を引くことができた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当該年度の研究計画では奇弾性率によるマイクロマシンの記述とその理解を目的としていたが、実際の研究によってその理解は高まり、複数本の論文発表も行った。特に奇弾性率とメカノケミカルカップリングの関係性が整理され、酵素のような化学反応で駆動されるマイクロマシンを奇弾性率によって記述できることが示唆された。この結果により、化学反応が誘起する形状ゆらぎの性質を整理することができ、マイクロマシンの非平衡現象の理解が進んだ。
さらにOnsager-Machlup積分を用いたレアイベント解析においては、アクティブブラウン粒子に対する具体的な結果を得ることができた。特に粒子のアクティビティによって遷移経路が非自明に変化することがわかった。このような遷移経路の性質は数値シミュレーションによっても確認でき、今後実際の生物でもこの解析の妥当性が確認できると考えられる。この研究によってOnsager-Machlup積分のアクティブ系での有用性が示され、この解析のさらなる適用範囲の拡大や応用が期待できる。この成果について論文や学会などで発表し、多くの興味を集めることができた。
上述の結果は本研究課題の目的である、ゆらぎによって引き起こされるマイクロマシンの非平衡現象の理解を着実に進めたと考えている。ゆえに、当該年度はおおむね順調に進展したと言える。

Strategy for Future Research Activity

今後さらにOnsager-Machlup積分を用いたレアイベント解析をすすめる。特にアクティブブラウン粒子の最頻経路解析をさらに拡張することを検討する。これまでのアクティブブラウン粒子では運動が二次元に拘束され、カイラリティが無視されていた。そこで、これらの影響を考慮することで、質的に新規な経路が生じるか調べる。また、これまでの最頻経路解析では静的な状態間遷移を扱っていたが、動的状態の遷移過程を調べる。例えば、微小スイマーの同期における位相スリップは動的状態間を遷移しているとみなせる。このような現象の遷移経路の推定を検討することで、この解析手法の適用範囲を広げる。また、最適経路から遷移時間等、レアイベントを特徴づける物理量を計算する方法も模索する。これらの研究を足がかかりに、マイクロマシンの共同現象の解析も検討する。そのために、Onsager-Machlup積分の連続体への拡張として知られるMacroscopic fluctuation theoryをもちいて、最頻経路を解析する。この解析によってマイクロマシンの最適化問題としての特徴づけを行い、普遍的な数理構造として理論体系を構築する。

  • Research Products

    (21 results)

All 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (7 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 3 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results) Remarks (2 results)

  • [Int'l Joint Research] Wenzhou Institute(中国)

    • Country Name
      CHINA
    • Counterpart Institution
      Wenzhou Institute
  • [Journal Article] Onsager’s Variational Principle for Nonreciprocal Systems with Odd Elasticity2023

    • Author(s)
      Lin Li-Shing、Yasuda Kento、Ishimoto Kenta、Hosaka Yuto、Komura Shigeyuki
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 92 Pages: 033001

    • DOI

      10.7566/JPSJ.92.033001

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Simulations of Odd Microswimmers2023

    • Author(s)
      Kobayashi Akira、Yasuda Kento、Lin Li-Shing、Sou Isamu、Hosaka Yuto、Komura Shigeyuki
    • Journal Title

      Journal of the Physical Society of Japan

      Volume: 92 Pages: 034803

    • DOI

      10.7566/JPSJ.92.034803

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Self-organized swimming with odd elasticity2022

    • Author(s)
      Ishimoto Kenta、Moreau Clement、Yasuda Kento
    • Journal Title

      Physical Review E

      Volume: 105 Pages: 064603

    • DOI

      10.1103/PhysRevE.105.064603

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Time-correlation functions for odd Langevin systems2022

    • Author(s)
      Yasuda Kento、Ishimoto Kenta、Kobayashi Akira、Lin Li-Shing、Sou Isamu、Hosaka Yuto、Komura Shigeyuki
    • Journal Title

      The Journal of Chemical Physics

      Volume: 157 Pages: 095101~095101

    • DOI

      10.1063/5.0095969

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Lateral response of a layered material with interlayer friction2022

    • Author(s)
      Sasada Tomoki、Yasuda Kento、Hosaka Yuto、Komura Shigeyuki
    • Journal Title

      Soft Materials

      Volume: 21 Pages: 14~22

    • DOI

      10.1080/1539445X.2022.2115514

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Most probable path of an active Brownian particle2022

    • Author(s)
      Yasuda Kento、Ishimoto Kenta
    • Journal Title

      Physical Review E

      Volume: 106 Pages: 064120

    • DOI

      10.1103/PhysRevE.106.064120

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 奇弾性体の微小遊泳理論2022

    • Author(s)
      石本健太、モロークレマン、安田健人
    • Journal Title

      ながれ

      Volume: 41 Pages: 411-414

  • [Presentation] Most probable path of an active Brownian particle2023

    • Author(s)
      Kento Yasuda
    • Organizer
      Active Matter Workshop 2023
  • [Presentation] Most probable path of an active Brownian particle2023

    • Author(s)
      Kento Yasuda
    • Organizer
      The 8th KTGU Mathematics Workshop for Young Researchers
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Most probable path of an active Brownian particle2023

    • Author(s)
      Kento Yasuda
    • Organizer
      Methods and Applications in Mathematical Life Sciences変革 A: 3G+∞(無限) Fusion Meeting
  • [Presentation] アクティブスイマーの最頻経路2023

    • Author(s)
      安田健人
    • Organizer
      新学術領域研究「情報物理学でひもとく生命の秩序と設計原理」第6回領域会議
  • [Presentation] Most probable path of an active Brownian particle2023

    • Author(s)
      Kento Yasuda
    • Organizer
      Japan-France joint seminar "Physics of dense and active disordered materials"
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Most probable path of an active Brownian particle2023

    • Author(s)
      Kento Yasuda
    • Organizer
      Half-day workshop on “Living matter modelling and dynamics”
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] アクティブブラウン粒子の最頻経路2022

    • Author(s)
      安田健人
    • Organizer
      新学術領域研究「情報物理学でひもとく生命の秩序と設計原理」第5回領域会議
  • [Presentation] アクティブブラウン粒子の最頻経路2022

    • Author(s)
      安田健人
    • Organizer
      新学術領域研究「ジオラマ環境で覚醒する原生知能を定式化する細胞行動力学」領域全体会議
  • [Presentation] Most probable path of an active Brownian particle2022

    • Author(s)
      Kento Yasuda
    • Organizer
      25th Anniversary Symposium of German-Japanese Joint Research Project on Nonequilibrium Statistical Physics Perspectives for Future Collaboration
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] アクティブブラウン粒子の最頻経路2022

    • Author(s)
      安田健人、石本健太
    • Organizer
      2022年度研究集会「生物流体力学と生物運動」
  • [Presentation] アクティブブラウン粒子の最頻経路2022

    • Author(s)
      安田健人、石本健太
    • Organizer
      第10回ソフトマター研究会
  • [Remarks] 自ら流体中を泳ぐ「奇弾性体」の発見―生き物らしい自律的なマイクロマシンの仕組み―

    • URL

      https://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research-news/2022-06-08

  • [Remarks] Never too odd to learn how to swim

    • URL

      https://www.eurekalert.org/news-releases/955285

URL: 

Published: 2023-12-25  

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