| 研究課題/領域番号 |
25289032
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
山本 剛宏 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40252621)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| キーワード | 複雑流体 / 能動粒子 / 分散系 / 微生物 / MPCD / 生物流体 |
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| 研究概要 |
複雑流体として生物系粒子分散系を扱い，その数値流動解析手法の開発を目的とし，(1)モデル微生物粒子を用いた自己組織化構造形成現象の解析およびレオロジー特性の評価，(2)生物系粒子分散系シミュレーションのための連続体モデルの導出，(3)微生物サスペンションの自己組織化構造形成を模擬したバイオミメティクスによる新機能性物質のデザイン，の３テーマを軸に研究を行ってきた．
各テーマにおける成果の概要を次に示す．(1)では，MPCD法を用いて走光性を有する微生物藻類の分散系の数値流動シミュレーションプログラムを開発した．ここでは，生物対流の再現，流路内流れの解析を行った．また，せん断流れ中の微生物の回転の効果を入れた模擬粒子のMPCDシミュレーションを行い，回転の効果により，実験で見られるような系のレオロジー特性変化を確認した．これらの成果は平成26年度の研究展開のベースとなるものである．(2)では，走光性微生物藻類を対象に，連続体ベースの解析プログラムを作成した．そして，走光性の効果による系の見かけの粘度の変化と速度場の変化の関連を解析した．また，アクティブネマチックの構成方程式に関する調査を行い，既存の構成方程式に生物系粒子の相互作用を導入するという方向性が固まった．(3) では，磁性流体のMPCDシミュレーションのための解析プログラムを作成した．このプログラムを用いることにより，系に外場を与えた際の粒子挙動の解析が可能である．そして，このプログラムをベースにして，粒子の能動性を取り入れることによって，生物系粒子分散系を扱えるプログラムに展開が出来る．これらとは別に，セルオートマトン（CA）法を用いた流動環境下のバイオフィルムの成長現象の解析プログラムの開発を行い，能動粒子関の相互作用として，生態学的相互作用を取り入れる際にCA法を適用できるかどうかについて検討した．
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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
当該研究課題において開発する数値解析プログラムのベースとなる，走光性を有する微細藻類分散系に対するMPCD（Multi Particle Collision Dynamics）シミュレーションプログラムが作成できた．そして，生物対流および流路内流れの数値シミュレーションを通じて，MPCD法による数値解析の有効性が確認できた．本解析プログラムをもとに，生物系粒子の特性（走光性，走化性など）を変更したり，粒子間相互作用を取り入れたりすることが可能であり，当初計画通り進行している．また，連続体ベースの解析のための構成モデルの検討においては，アクティブネマチックの構成方程式に関する調査を行い，既存の構成方程式に生物系粒子の相互作用を導入するという方向性が固まった．さらに，個々の生物系粒子の運動をエージェントベース・シミュレーションで計算し，それをもとに構成モデルを構築する方法についても検討を始めた．概ね当初の予定通りに計画が進行中である．微生物サスペンションの自己組織化構造形成を模擬したバイオミメティクスによる新機能性物質のデザインに関するテーマでは，その解析プログラムのベースとなる磁性流体を対象とした解析プログラムの作成が進行中である．このプログラムに，前述のエージェントベース・シミュレーションの手法を取り入れて粒子間相互作用を表現することで，自己組織化構造形成の解析が出来るようになると考えており，概ね当初計画に基づいて研究が進行している．さらに，バイオフィルム成長現象の解析プログラムの開発を通じて，セルオートマトン法の適用可能性を検討し，粒子間相互作用の別の表現方法についても研究を進めることが出来ている．
平成25年度中に，当該研究課題に関連する成果の学会発表を７件行った．また，論文投稿を１編準備中である．
以上より，研究は概ね当初計画予定通りに遂行できたと考える．
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| 今後の研究の推進方策 |
平成25年度に作成した走光性を有する微細藻類分散系に対するMPCD（Multi Particle Collision Dynamics）シミュレーションプログラムをもとに，生物系粒子の特性（走光性，走化性など）を変更したり，粒子間相互作用を取り入れたりすることで，計算モデルの改良と他の生物系粒子分散系の計算モデルの作成を行う．
連続体ベースの解析では，アクティブネマチックの構成方程式を用いた数値流動解析シミュレーションを行う．そして，既存の構成方程式に生物系粒子の相互作用を導入することにより構成モデルを構築する．
さらに，個々の生物系粒子の運動をエージェントベース・シミュレーションで計算し，それをもとに構成モデルを構築する方法についても検討を進める．さらに，微生物サスペンションの自己組織化構造形成をシミュレーションする解析プログラムを，平成25年度に作成した磁性流体を対象とした解析プログラムをベースにして開発する．あるいはエージェントベース・シミュレーションの手法を取り入れて粒子間相互作用を表現する解析プログラムを作成する．さらに，セルオートマトン法の適用可能性をバイオフィルム成長現象の解析プログラムの開発を通じて検討していく．
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| 次年度の研究費の使用計画 |
数値シミュレーションに使用する計算機として，新規購入分と現有のものを併用しているが，当該研究課題以外で現有設備を使用する頻度が予定よりも低かったため，本年度に購入する計算機のスペックを低めにし，次年度に購入予定の計算機のスペックを上げるように予算使用計画を変更したため．
平成26年度に購入予定の計算機のスペックを見直し，平成25年度未使用分の経費を合わせた経費で購入する計算機を決定する．
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