マイクロマシンの非平衡形状ゆらぎと推進機構

微机械的非平衡形状涨落与推进机制

• 批准号: 22KJ1640
• 负责人: 安田 健人
• 金额: $ 2.33万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ1640/
• 关键词: マイクロマシン; 奇弾性; 最頻経路; Odd弾性率; 遊泳速度

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。

我们使用非平衡统计力学方法，将细胞和微生物（例如大肠杆菌）内的活性酶视为微型机器，将化学能转化为机械功。特别是，今年我们尝试使用“奇弹性”和“最频繁路径”的概念来理解微型机器的行为。从第一年开始，我们考虑使用奇弹性来表达微机器非平衡。特别是，今年我们讨论了奇数弹性体涨落的统计特性。基于此，我们设计了一种根据时间相关函数的时间反转对称性来估计物体奇弹性的方法。利用这一点，我们能够从机械化学耦合描述的微型机械的数值模拟结果中定量提取奇弹性。预计可以根据实际实验数据对这种奇怪的弹性进行量化。此外，我们对活性棕色颗粒进行了最常见的路径分析，模拟了微生物的随机运动。通过使用 Onsager-Machlup 积分描述活跃布朗粒子的路径概率并解决其变分问题，我们计算了罕见跃迁中最频繁的路径。这表明路径的形状根据过渡时间从直线变为 U 形再到环形。这条路径的形状也通过随机数值模拟得到了证实。预计该结果将用于了解实际微生物的随机运动。这些结果增进了我们对微机械因波动而产生的行为的理解。特别是，我们能够使用奇数弹性模量来理解典型行为，并使用最常见的路径问题来理解罕见事件。这些成果在论文和会议上发表，并引起了许多专家的兴趣。

项目成果

Wenzhou Institute(中国)

温州学院（中国）

反対称マイクロスイマー

反对称微型游泳者

• 发表时间: 2021
• 作者: 安田健人;保阪悠人;曹勇;好村滋行
• 通讯作者: 好村滋行

アクティブスイマーの最頻経路

活跃游泳运动员最常走的路线

• 发表时间: 2023
• 作者: Yasuda Kento;Komura Shigeyuki;Kento Yasuda;Kento Yasuda;Kento Yasuda;安田健人
• 通讯作者: 安田健人

Self-organized swimming with odd elasticity

具有奇弹性的自组织游泳

• DOI: 10.1103/physreve.105.064603
• 发表时间: 2022
• 期刊: Physical Review E
• 影响因子: 2.4
• 作者: Ishimoto Kenta;Moreau Clement;Yasuda Kento
• 通讯作者: Yasuda Kento

Time-correlation functions for odd Langevin systems

奇朗之万系统的时间相关函数

• DOI: 10.1063/5.0095969
• 发表时间: 2022
• 期刊: The Journal of Chemical Physics
• 作者: Yasuda Kento;Ishimoto Kenta;Kobayashi Akira;Lin Li-Shing;Sou Isamu;Hosaka Yuto;Komura Shigeyuki
• 通讯作者: Komura Shigeyuki