| 研究課題/領域番号 |
21K03496
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| 研究機関 | 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(新分野創成センター、アストロバイオロジーセンター、生命創成探究 |
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研究代表者 |
斉藤 稔 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(新分野創成センター、アストロバイオロジーセンター、生命創成探究, 生命創成探究センター, 特任准教授 (20726236)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | アクティブマター / ソフトマター / 自己組織化 / ジャミング / トポロジカル欠陥 |
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| 研究実績の概要 |
細胞の集団運動は、鳥や魚の「群れ」の集団運動と同様、ある種のアクティブマターとみなすことができる。一方で、細胞の場合は、個々の細胞の形が変形しうるという点で従来のアクティブマター研究とは大きく異なる。細胞のような変形可能な個体の集団からどのような秩序が自己組織化してくるか、というのは非常に重要な問題である。本研究では、変形可能な「ソフト」なアクティブマターの研究の基礎となるモデルを構築し、これを用いて、変形可能であることで初めて顕れる集団的秩序現象を探る。
研究実績としてまず、変形可能な細胞を千～万オーダーの数で計算可能な数理モデルを開発することができた。このモデルでは、一つの細胞の輪郭を極座標表示し、さらにフーリエ級数展開することで細胞変形ダイナミクスをフーリエ係数のダイナミクスとして表現する。またparticle-field表現という数理的表現を介することで細胞間の排除体積効果などの相互作用もモデルに導入することが可能である。実際にこのモデルを用いて、１万の変形可能細胞のシミュレーションが可能であることを確かめた。
また、提案したモデルを用いて、排除体積効果のみを持つ自己駆動細胞集団が高密度で密集した 状況の数値解析を行った。まず、細胞の柔らかさを規定するパラメータηの変化のみで細胞集団が固体化-流動化転移を示すことを発見した。さらに、細胞が大きく変形しながら流動化する相と、細胞が丸い形状を保ちながら流動化する相が存在し、両者の間で液液相転移を起こすことを発見した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
数理モデルの定式化、実装、高速化などは既に達成済みである。さらに細胞の変形可能性により、変形しないアクティブ粒子のものとは異なるジャミング現象が起こることを発見することができ、「変形可能であることで初めて顕れる集団的秩序現象を探る」という目的の大部分は達成したと言って良い。
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| 今後の研究の推進方策 |
既に得られた変形可能細胞のジャミング現象についての結果を論文にまとめて発表する。
また、運動性誘起相分離（MIPS）現象が粒子の変形可能性によってどのように変化するか、あるいはvicsek modelのような運動の向きを揃える効果を導入し、集団的に向きが揃うflockingなどの現象が変形可能性によってどのように変化するかなどを調べる予定である。同時に細胞接着を導入するといったモデルの拡張も検討する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
当初は1年目に計算機を購入予定であったが、大規模計算する以前の段階で研究がひと段落ついたため、一旦得られた結果を論文化した後、大規模数値計算を行うことにした。そのため、計算機の購入計画を後ろ倒しして２年目に購入することとする。
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