| 研究領域 | 分子サイバネティクス ー化学の力によるミニマル人工脳の構築 |
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| 研究課題/領域番号 |
21H05879
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| 研究種目 |
学術変革領域研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
学術変革領域研究区分(Ⅳ)
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
松永 大樹 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 准教授 (40833794)
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| 研究期間 (年度) |
2021-09-10 – 2023-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
10,400千円 (直接経費: 8,000千円、間接経費: 2,400千円)
2022年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
2021年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
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| キーワード | 分子ロボット / ストークス流れ / 強化学習 / 最適運動 / ストークス動力学 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
微小な遊泳体は遅い流れの流体力学に支配され帆立貝定理の制約を受ける．帆立貝定理とは1自由度アクチュエータの往復運動では正味の移動を生み出すことができない法則を指し，分子スケールの遊泳体も例外なくこの制限下にある．この制約を掻い潜り特定の方向へと遊泳するためには，2つ以上のアクチュエータが往復運動とならない順序で動作する必要がある．N個のアクチュエータを有する分子スケールの効率的な遊泳動作の設計には，移動距離を最大化する最適化問題を解く必要がある．本研究では各分子ロボット構造における最適な遊泳戦略を構築すると共に，研究領域メンバーとマイクロサイズの遊泳体の制作を目指す．
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| 研究実績の概要 |
1年目に開発した強化学習による最適運動の探索基盤を用い，以下の2つの研究課題を実施した．
1つ目は「鞭打ち駆動分子ロボットの最適遊泳探索」である．対象となる分子ロボットはバネとビーズに構成され，各関節に働くアクティブな力により関節の角度を開閉する．ビーズ間に働く遠距離の流体力学的作用により各ビーズの速度を決定する．本研究では各ビーズの位置・速度を状態，関節に働くアクティブな力を行動，+x方向への変位を目的関数として学習を行ったところ，自然界のスイマーでも見られる鞭打ち駆動型の遊泳戦略を獲得した．関節可動域と行動決定周期の2つのパラメータを変更し学習させると異なる形状変化による遊泳モードを示したが，興味深いことにこれら最適遊泳モードのストライドは鞭打ち周波数に反比例するスケーリングを有することが明らかとなった．以上の結果より，与えられた条件・環境により最適な遊泳戦略が異なり，ストライド・周波数というトレードオフの関係にあるパラメータについて条件に合った最適なセットが存在すると考えられる．
2つ目は「人工繊毛モデルによる最適流体駆動」である．バネ・ビーズからなる人工繊毛モデルに能動的な曲げを与え，+x方向への流体輸送を最大化する変形パターンの探索を行った．獲得した変形パターンは自然界に見られる繊毛の変形と類似しており，また二体の繊毛による輸送では二体が位相差を持って流体を打つメタクロナル波を呈することを発見した．自然界は進化の過程で最適な駆動法を獲得したと考えられるが，流体力学的観点からの統一的な理解が今後の課題である．
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| 現在までの達成度 (段落) |
令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和4年度が最終年度であるため、記入しない。
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