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マイクロマシンの非平衡形状ゆらぎと推進機構

研究課題

研究課題/領域番号 22KJ1640
補助金の研究課題番号 21J00096 (2021-2022)
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分基金 (2023)
補助金 (2021-2022)
応募区分国内
審査区分 小区分13040:生物物理、化学物理およびソフトマターの物理関連
研究機関京都大学

研究代表者

安田 健人  京都大学, 数理解析研究所, 特別研究員(PD)

研究期間 (年度) 2023-03-08 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
2023年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2022年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2021年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
キーワード奇弾性 / 流体構造連成力学 / Onsager-Machlup積分 / 不可逆性 / マイクロマシン / 最頻経路 / Odd弾性率 / 遊泳速度
研究開始時の研究の概要

微生物やその内部で機能するタンパク質は、微小サイズの機械(マイクロマシン)として物理的な理解が進められている。このような微小な物体の運動は大きな物体と異なり、確率的な振る舞いを示す。そこで、本研究課題ではマイクロマシンの機能に関してゆらぎが果たす役割を理解することを目的とする。この研究課題では非平衡統計力学や流体力学、確率過程などに立脚しマイクロマシンの理論モデルを構築し、解析することで、振る舞いを理解する。この課題で得られた基礎的な結果は将来的に人工的なマイクロマシンの設計に貢献することが期待できる。さらに、課題を通じて流体力学や確率論における数理的な発展も期待される。

研究実績の概要

大腸菌や蛋白質分子などのマイクロマシンは化学反応によってエネルギーを取り出し、推進などの機能を発揮する。該当年度は、1つ目の研究として、「奇弾性」によるマイクロマシンのモデル化を行い、その統計的性質や流体との相互作用について調べた。そのために、奇弾性を含む流体構造連成力学を提案し、物体の構造に起因する非線形流体効果を取り入れた。その結果、流体中の奇弾性体は自発的に非相反な変形挙動を示すことがわかり、流体の非線形性が運動の安定性に重要であることがわかった。これによって、生物の遊泳挙動も奇弾性で表現できることが示唆され、実際に精子の観察結果から奇弾性を定量化することに成功した。これらの研究結果はPRX Life誌に掲載された。加えて、この奇弾性遊泳モデルの研究に関してアメリカ物理学会のMarch Meetingにて招待講演を行った。該当年度に行った2つ目の研究として、Onsager-Machlup積分による奇弾性ランジュバンダイナミクスの遷移過程の解析を行った。奇弾性ランジュバンダイナミクスでは、酵素分子の構造変化などのエネルギー注入を伴う確率過程を記述できる。奇弾性ランジュバンダイナミクスはその非平衡性から、ダイナミクスの不可逆性がモデルの特徴付けに重要である。そこで、本研究では不可逆性をOnsager-Machlup積分を用いて定量化し、そのキュムラント母関数を経路積分法と鞍点近似によって計算した。その結果、奇弾性によって高次のキュムラントが導かれ、系の不確定性に大きく寄与していることがわかった。

報告書

(3件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (44件)

すべて 2024 2023 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (14件) (うち国際共著 7件、 査読あり 13件、 オープンアクセス 10件) 学会発表 (25件) (うち国際学会 9件、 招待講演 1件) 備考 (2件)

  • [国際共同研究] Wenzhou Institute(中国)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] Max Planck Institute (MPI DS)(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] Wenzhou Institute(中国)

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] Odd Elasticity of a Catalytic Micromachine2023

    • 著者名/発表者名
      Kobayashi Akira、Yasuda Kento、Ishimoto Kenta、Lin Li-Shing、Sou Isamu、Hosaka Yuto、Komura Shigeyuki
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 92 号: 7 ページ: 074801-074801

    • DOI

      10.7566/jpsj.92.074801

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Generalized Three-Sphere Microswimmers2023

    • 著者名/発表者名
      Yasuda Kento、Hosaka Yuto、Komura Shigeyuki
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 92 号: 12 ページ: 121008-121008

    • DOI

      10.7566/jpsj.92.121008

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Odd Elastohydrodynamics: Non-Reciprocal Living Material in a Viscous Fluid2023

    • 著者名/発表者名
      Ishimoto Kenta、Moreau Clement、Yasuda Kento
    • 雑誌名

      PRX Life

      巻: 1 号: 2 ページ: 023002-023002

    • DOI

      10.1103/prxlife.1.023002

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Onsager’s Variational Principle for Nonreciprocal Systems with Odd Elasticity2023

    • 著者名/発表者名
      Lin Li-Shing、Yasuda Kento、Ishimoto Kenta、Hosaka Yuto、Komura Shigeyuki
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 92 号: 3 ページ: 033001-033001

    • DOI

      10.7566/jpsj.92.033001

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Simulations of Odd Microswimmers2023

    • 著者名/発表者名
      Kobayashi Akira、Yasuda Kento、Lin Li-Shing、Sou Isamu、Hosaka Yuto、Komura Shigeyuki
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 92 号: 3 ページ: 034803-034803

    • DOI

      10.7566/jpsj.92.034803

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Self-organized swimming with odd elasticity2022

    • 著者名/発表者名
      Ishimoto Kenta、Moreau Clement、Yasuda Kento
    • 雑誌名

      Physical Review E

      巻: 105 号: 6 ページ: 064603-064603

    • DOI

      10.1103/physreve.105.064603

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Time-correlation functions for odd Langevin systems2022

    • 著者名/発表者名
      Yasuda Kento、Ishimoto Kenta、Kobayashi Akira、Lin Li-Shing、Sou Isamu、Hosaka Yuto、Komura Shigeyuki
    • 雑誌名

      The Journal of Chemical Physics

      巻: 157 号: 9 ページ: 095101-095101

    • DOI

      10.1063/5.0095969

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Lateral response of a layered material with interlayer friction2022

    • 著者名/発表者名
      Sasada Tomoki、Yasuda Kento、Hosaka Yuto、Komura Shigeyuki
    • 雑誌名

      Soft Materials

      巻: 21 号: 1 ページ: 14-22

    • DOI

      10.1080/1539445x.2022.2115514

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Most probable path of an active Brownian particle2022

    • 著者名/発表者名
      Yasuda Kento、Ishimoto Kenta
    • 雑誌名

      Physical Review E

      巻: 106 号: 6 ページ: 064120-064120

    • DOI

      10.1103/physreve.106.064120

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] 奇弾性体の微小遊泳理論2022

    • 著者名/発表者名
      石本健太、モロークレマン、安田健人
    • 雑誌名

      ながれ

      巻: 41 ページ: 411-414

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] The Onsager-Machlup Integral for Non-Reciprocal Systems with Odd Elasticity2022

    • 著者名/発表者名
      Yasuda Kento、Kobayashi Akira、Lin Li-Shing、Hosaka Yuto、Sou Isamu、Komura Shigeyuki
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 91 号: 1 ページ: 015001-015001

    • DOI

      10.7566/jpsj.91.015001

    • NAID

      210000159508

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Self-organized swimming with odd elasticity2022

    • 著者名/発表者名
      Kenta Ishimoto, Clement Moreau, Kento Yasuda
    • 雑誌名

      Physical Review E

      巻: -

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Odd Microswimmer2021

    • 著者名/発表者名
      Yasuda Kento、Hosaka Yuto、Sou Isamu、Komura Shigeyuki
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 90 号: 7 ページ: 075001-075001

    • DOI

      10.7566/jpsj.90.075001

    • NAID

      210000159108

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Nonreciprocality of a micromachine driven by a catalytic chemical reaction2021

    • 著者名/発表者名
      Yasuda Kento、Komura Shigeyuki
    • 雑誌名

      Physical Review E

      巻: 103 号: 6 ページ: 062113-062113

    • DOI

      10.1103/physreve.103.062113

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Odd elastohydrodynamics: non-reciprocal living material in a viscous fluid2024

    • 著者名/発表者名
      K. Yasuda, K. Ishimoto, C. Moreau
    • 学会等名
      APS March Meeting 2024
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 奇弾性ランジュバン系の状態遷移に伴うエントロピー変化2024

    • 著者名/発表者名
      安田健人
    • 学会等名
      日本物理学会2024年春季大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] アクティブ系のOnsager-Machlup積分2024

    • 著者名/発表者名
      安田健人
    • 学会等名
      第十二回京都若手ソフトマター研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Entropy change due to stochastic state transitions of odd Langevin system2024

    • 著者名/発表者名
      Kento Yasuda
    • 学会等名
      Active Matter Workshop 2024
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Onsager-Machlup 積分の変分原理:ブラウン粒子への応用2024

    • 著者名/発表者名
      安田健人
    • 学会等名
      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」第5回領域全体会議
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Most probable path of an active Brownian particle2023

    • 著者名/発表者名
      K. Yasuda
    • 学会等名
      Kickoff meeting: Advanced core-to-core network for the physics of self-organizing active matter
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Most probable path of an active Brownian particle2023

    • 著者名/発表者名
      K. Yasuda
    • 学会等名
      The 7th International Soft Matter Conference (ISMC2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Most probable path of an active Brownian particle2023

    • 著者名/発表者名
      K. Yasuda
    • 学会等名
      28th International Conference on Statistical Physics (statphys28)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 奇弾性ネットワークの状態遷移に関するエントロピー変化2023

    • 著者名/発表者名
      安田健人
    • 学会等名
      第11回ソフトマター研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 奇弾性ネットワークの状態変化に伴うエントロピー生成2023

    • 著者名/発表者名
      安田健人
    • 学会等名
      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」第4回領域全体会議
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Most probable path of an active Brownian particle2023

    • 著者名/発表者名
      Kento Yasuda
    • 学会等名
      Active Matter Workshop 2023
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Most probable path of an active Brownian particle2023

    • 著者名/発表者名
      Kento Yasuda
    • 学会等名
      The 8th KTGU Mathematics Workshop for Young Researchers
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Most probable path of an active Brownian particle2023

    • 著者名/発表者名
      Kento Yasuda
    • 学会等名
      Methods and Applications in Mathematical Life Sciences変革 A: 3G+∞(無限) Fusion Meeting
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] アクティブスイマーの最頻経路2023

    • 著者名/発表者名
      安田健人
    • 学会等名
      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
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Most probable path of an active Brownian particle2023

    • 著者名/発表者名
      Kento Yasuda
    • 学会等名
      Japan-France joint seminar "Physics of dense and active disordered materials"
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Most probable path of an active Brownian particle2023

    • 著者名/発表者名
      Kento Yasuda
    • 学会等名
      Half-day workshop on “Living matter modelling and dynamics”
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] アクティブブラウン粒子の最頻経路2022

    • 著者名/発表者名
      安田健人
    • 学会等名
      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
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] アクティブブラウン粒子の最頻経路2022

    • 著者名/発表者名
      安田健人
    • 学会等名
      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
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Most probable path of an active Brownian particle2022

    • 著者名/発表者名
      Kento Yasuda
    • 学会等名
      25th Anniversary Symposium of German-Japanese Joint Research Project on Nonequilibrium Statistical Physics Perspectives for Future Collaboration
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] アクティブブラウン粒子の最頻経路2022

    • 著者名/発表者名
      安田健人、石本健太
    • 学会等名
      2022年度研究集会「生物流体力学と生物運動」
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] アクティブブラウン粒子の最頻経路2022

    • 著者名/発表者名
      安田健人、石本健太
    • 学会等名
      第10回ソフトマター研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Statistical property of the stochastic system with odd elasticity2022

    • 著者名/発表者名
      Kento Yasuda
    • 学会等名
      Active Matter Workshop 2022
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] アクティブブラウン粒子の最頻経路2022

    • 著者名/発表者名
      安田健人、石本健太
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Microswimmer driven by non-equilibrium fluctuation2021

    • 著者名/発表者名
      Kento Yasuda
    • 学会等名
      Biofluid Symposium in Biofluids 2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 反対称マイクロスイマー2021

    • 著者名/発表者名
      安田健人、保阪悠人、曹勇、好村滋行
    • 学会等名
      日本物理学会2021年秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [備考] 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

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考] Never too odd to learn how to swim

    • URL

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

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

URL: 

公開日: 2021-05-27   更新日: 2024-12-25  

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