Tohoku University

機械学習とソフトマテリアル     ソフトマテリアルの支配方程式は、これまで、過去の研究や物理法則を基に導出されてきました。しかし、ソフトマテリアルは非常に複雑で、大自由度からなり、階層性を持っているために、支配方程式を得るためには膨大な時間をかけた試行錯誤を行うしかありませんでした。最近の機械学習の発展により、支配方程式をデータや目的となる情報から推定することへの期待が高まってきています。比較的単純な方程式を推定することは可能になってきていますが、ソフトマテリアルのような複雑な問題には、現在の手法では不十分です。そこで我々は、ソフトマテリアルの構造形成の支配方程式を推定する手法の開発に取り組んでいます。

ミクロ相分離パターンから支配方程式を推定する
      目的の構造やパターンが手元にある時、その構造がどのような方程式で作ることができるのかは重要な問題です。実験的に得られた構造を再現できる方程式が分かれば、その構造形成のメカニズムを理解するための大きなヒントになります。我々は、たった1つの構造データから偏微分方程式を推定する手法について研究を行っています。

目的の自己凝集構造を実現するためのコロイド粒子のデザイン
      最近の実験技術の発展により、様々な、ナノメートル、マイクロメートルのコロイド粒子の形状や表面構造、相互作用ポテンシャルを実現することが可能になっています。その結果、ダイヤモンド格子などの複雑な構造を、原子ではなくコロイド粒子を用いて、自己凝集（self-assembly）によって作成することが可能になっています。一方、「欲しい」構造があった時に、どのように粒子をデザインすればよいのかというのは、まだまだ困難な問題です。私たちは、パッチ粒子を用いて、目的の構造を実現するためのパッチのデザインの研究を行っています。

準結晶構造
      準結晶は、結晶のような秩序構造を持ちながら、結晶のように周期性を持たない構造です。自然界には様々な対称性を持つ準結晶が存在することが知られていますが、その形成メカニズムはまだ未解明です。私たちは、phase-field crystalモデルと呼ばれる連続場の方程式を用いて、二次元や三次元の準結晶の形成過程について研究を行っています（右図は二次元と三次元の準結晶の例)。

他のマテリアルズサイエンスへの広がり
      数理的には、ソフトマテリアルの研究で用いられている理論は他の材料科学に応用することができます。パターンを記述する方程式であるphase-field crystalモデルは、材料科学でよく用いられるphase-fieldモデルの拡張として、結晶の欠陥のダイナミックスを記述するために用いられています。また、磁性体に見られるスピン波は、液晶で用いられるモデルと多くの類似性を持っています。私たちは、材料科学という広い分野に共通する原理を明らかにし、支配方程式を推定できるように研究に取り組んでいます。

機械学習と方程式推定について講演はこちらから視聴できます。
- ベイズ推定を用いた画像パターンからの支配方程式の選択 (2020)
資料はこちらです。
- 材料科学へのデータ科学的なアプローチ

- Newton Institute seminar (2023)
New statistical physics in living matter: non equilibrium states under adaptive control

- 九州大学 IMI共同利用 統計数学×情報×物質セミナー (2023)
自己組織化による構造形成のための数理モデルの推定

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アクティブマターの数理 -- 自発運動する粒子や液滴     生命現象において生物はエネルギーを消費しながらその機能を実現しています。中でも細胞運動は、細胞が外力によって押されることなく動く現象です。これはATPの加水分解によるエネルギーを消費して生成するアクティブなストレスによって実現しています。アクティブマターと呼ばれる研究は、このような自発的な運動や変形を理解することです。最近の実験で、化学反応を使ってまるで生きているように物体が動く現象が見い出されています。私たちは、数理モデルを用いて、粒子や液滴の自発的運動や変形のメカニズムについて研究を行っています。

アクティブ液晶の液滴：細胞運動のモデル
      細胞運動は非常に複雑な現象ですが、運動メカニズムは、アクティブストレス、Treadmilling、ブレッビングなどが知られています。ここでは、液滴の中にアクティブ液晶が封入されている系を考察し、アクティブストレスによっていかに運動が生じるのかを調べました。アクティブストレスが強く、またcontractileである場合には、直線運動が回転運動に分岐し、さらに乱れた運動を引き起こすことを明らかにしました。

温度勾配による粒子の運動とヤヌス粒子の自己泳動
      温度泳動は温度勾配によって物体が動く現象です。これは電場による物体の運動（電気泳動）や濃度勾配による運動（拡散泳動、あるいは浸透泳動)現象と同様のものである。温度泳動は150年以上前から知られているが、その微視的なメカニズムはいまだ多くのことが分かっていません。私たちは、流体モデルによって温度勾配によって駆動される粒子の運動について研究を行っています。さらに、最近ヤヌス粒子を用いて、一様な環境でも、粒子が自発的に周囲に勾配を形成して運動することが実験的、理論的に明らかになっています。これらの問題を理論的に研究しています。。

マランゴニ効果による液滴の運動と変形
     自発運動による一方向の運動は、物体の内在的な非対称性だけでなく、自発的に回転対称性を破ることによって実現することができます。後者は、平衡状態における相転移のように、系の非線形性と関連していて、ある種の非平衡相転移というものです。また、非線形ダイナミックスの分野ではドリフト分岐やドリフト不安定性と呼ばれています。我々は流体モデルを用いてマランゴニ効果による非平衡相転移について研究を行っています。

アクティブマターに関するの講演はこちらから視聴できます。
- Newton Institute (mp4 movie) at the workshop "Dynamics of Suspensions, Gels, Cells and Tissues"
- Newton Institute seminar (mp4 movie)
- Kavli Institute for Theoretical Physics

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Uyen Tu Lieu and Natsuhiko Yoshinaga
"Dynamic control of self-assembly of quasicrystalline structures through reinforcement learning"
submitted, arXiv

Tatsuro Kai, Takahiro Abe, Natsuhiko Yoshinaga, Shuichi Nakamura, Seishi Kudo, Shoichi Toyabe
"Collective gradient sensing by swimming bacteria without clustering"
submitted, bioRxiv

Satoshi Iihama, Yuya Koike, Shigemi Mizukami, Natsuhiko Yoshinaga
"Universal scaling between wave speed and size enables nanoscale high-performance reservoir computing based on propagating spin-waves"
npj Spintronics, 2, 5 (2024), arXiv

プレスリリース「スピン波を用いた物理リザバー計算機の高性能化の条件を理論的に解明－省エネルギーなAIハードウェア開発に新しい視点－」
AIMR: https://www.wpi-aimr.tohoku.ac.jp/jp/achievements/press/2024/20240304_001762.html
東北大: https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2024/03/press20240304-02-spin.html
産総研: https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2024/pr20240304/pr20240304.html
JST: https://www.jst.go.jp/pr/announce/20240304-4/index.html

Saki Nishikawa, Gaku Sato, Sakura Takada, Shunshi Kohyama, Gen Hondac, Miho Yanagisawa, Yutaka Hori, Nobuhide Doi, Natsuhiko Yoshinaga, Kei Fujiwara
"Multimolecular Competition Effect as a Modulator of Protein Localization and Biochemical Networks in Cell-size Space"
Advanced Science, 11, 2308030 (2024) open access

Yueyuan Gao and Natsuhiko Yoshinaga
"Inverse problems of inhomogeneous fracture toughness using phase-field models"
Physica D, 448, 133734 (2023) open access

Natsuhiko Yoshinaga and Satoru Tokuda
"Bayesian Modelling of Pattern Formation from One Snapshot of Pattern"
Physical Review E, 106, 065301 (2022) open access

Uyen Tu Lieu and Natsuhiko Yoshinaga
"Formation and Fluctuation of Two-dimensional Dodecagonal Quasicrystal"
Soft Matter, 18, 7497-7509 (2022) arXiv

Sakura Takada, Natsuhiko Yoshinaga, Nobuhide Doi, and Kei Fujiwara
"Controlling periodicity of a reaction–diffusion wave in artificial cells by a two-way energy supplier"
ACS Nano, 16, 16853–16861 (2022)

Miho Yanagisawa, Chiho Watanabe, Natsuhiko Yoshinaga, and Kei Fujiwara
"Cell-size space regulates behaviors of confined polymers: From Nano- and Micromaterial Science to Biology"
Langmuir, 38, 11811–11827 (2022)

Sakura Takada, Natsuhiko Yoshinaga, Nobuhide Doi, and Kei Fujiwara
"Mode selection mechanism in traveling and standing waves revealed by Min wave reconstituted in artificial cells"
Science Advances, 8, eabm8460 (2022)  bioRxiv
プレスリリース「細胞の分裂面を決める：細胞両端を往復する波が出現する仕組みの解明 －細胞内で分子の位置が決まる原理に迫る成果－」
https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2022/06/press20220609-02-cell.html
https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2022/pr20220609/pr20220609.html

Uyen Tu Lieu and Natsuhiko Yoshinaga
"Inverse design of two-dimensional structure by self-assembly of patchy particles"
Journal of Chemcial Physics, 156, 054901 (2022) arXiv

光山隼史，義永那津人，藤原慶
"Min 波の人工細胞内再構成とそこから見えた細胞サイズ空間効果"
生物物理 62（1），19-23（2022)

Uyen Tu Lieu and Natsuhiko Yoshinaga
"Topological defects of dipole patchy particles on a spherical surface"
Soft Matter, 16, 7667-7675 (2020) arXiv

Shunshi Kohyama, Kei Fujiwara, Natsuhiko Yoshinaga, Nobuhide Doi
"Conformational equilibrium of MinE regulates the allowable concentration ranges of a protein wave for cell division"
Nanoscale, 12, 11960-11970 (2020)

Akira Kamimaki, Satoshi Iihama, Kazuya Suzuki, Natsuhiko Yoshinaga, and Shigemi Mizukami
"Parametric amplification of magnons in synthetic antiferromagnets"
Physical Review Applied, 13, 044036 (2020)
プレスリリース「積層ナノ磁性体における磁気振動の増幅効果の発見」
https://www.wpi-aimr.tohoku.ac.jp/jp/news/press/2020/20200415_001261.html
https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2020/04/press20200414-01-AIMR.html
https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2020/pr20200415/pr20200415.html

Shunshi Kohyama, Natsuhiko Yoshinaga, Miho Yanagisawa, Kei Fujiwara, Nobuhide Doi
"Cell-sized confinement controls generation and stability of a protein wave for spatiotemporal regulation in cells"
eLife, 8, e44591 (2019) bioRxiv
プロトコール Shunshi Kohyama, Kei Fujiwara, Natsuhiko Yoshinaga,Nobuhide Doi
"Self-organization Assay for Min Proteins of Escherichia coli in Micro-droplets Covered with Lipids."
Bio-protocol 10(6): e3561 (2020).
プレスリリース「細胞分裂面を決める波を人工細胞内で安定的に発生させる条件の解明」
https://www.wpi-aimr.tohoku.ac.jp/jp/news/press/2019/20190730_001155.html
https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2019/07/press20190730-01-AIMR.html
https://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2019/pr20190730/pr20190730.html

Rafael Monteiro and Natsuhiko Yoshinaga
"The Swift-Hohenberg Equation under directional-quenching: finding heteroclinic connections using spatial and spectral decompositions"
Archive for Rational Mechanics and Analysis, 235, 405-470 (2020)

Natsuhiko Yoshinaga,
"Self-propulsion of an active polar drop"
Journal of Chemical Physics, 150, 184904 (2019) arXiv, PDF

Natsuhiko Yoshinaga and Shunsuke Yabunaka
"Theory of active particles and drops driven by chemical reactions: the role of hydrodynamics on self-propulsion and collective behaviours"
"Self-organized Motion: Physicochemical Design based on Nonlinear Dynamics" edited by Satoshi Nakata, Véronique Pimienta, István Lagzi, Hiroyuki Kitahata, Nobuhiko J Suematsu

Hiroyuki Kitahata, Natsuhiko Yoshinaga
"Effective diffusion coefficient including the Marangoni effect"
Journal of Chemical Physics, 148, 134906 (2018) arXiv

Kyongwan Kim, Natsuhiko Yoshinaga, Sanjib Bhattacharyya, Hikaru Nakazawa, Mitsuo Umetsu, and Winfried Teizer
"Large-scale chirality in an active layer of microtubules and kinesin motor proteins"
Soft Matter, 14, 3221-3231 (2018) arXiv

Natsuhiko Yoshinaga, Tanniemola B. Liverpool
"From hydrodynamic lubrication to many-body interactions in dense suspensions of active swimmers"
European Physical Journal E, 41, 76 (2018) arXiv or Springer Nature Sharing

義永　那津人
アクティブマター懸濁液の集団運動
分子シュミレーション研究会会誌　アンサンブル, 20(3), 2018

Natsuhiko Yoshinaga, Tanniemola B. Liverpool
"Hydrodynamic interactions in dense active suspensions:from polar order to dynamical clusters"
Physical Review E Rapid Communications, 96, 020603(R) (2017). arXiv

Natsuhiko Yoshinaga,
"Simple models of self-propelled colloids and liquid drops: from individual motion to collective behaviors"
Journal of the Physical Society of Japan Special Topics "Recent Progress in Active Matter", 86, 101009 (2017)

Shunsuke Yabunaka, Natsuhiko Yoshinaga
"Collision between chemically-driven self-propelled drops"
Journal of Fluid Mechanics, 809, 205-233 (2016) arXiv

義永　那津人
第7節　温度勾配が駆動する粒子の運動～ Ludwig-Soret effect～
材料表面の親水・親油の評価と制御設計　第５章　界面自由エネルギーから運動エネルギーへの変換　

義永那津人, 藪中俊介,
"化学反応によって駆動される液滴の自発運動と集団挙動"
数理兼講究録 　 「集団ダイナミクスに現れる時空間パターンの数理」

Yuki Koyano, Natsuhiko Yoshinaga, Hiroyuki Kitahata
"General Criteria for Determining Rotation or Oscillation in a Two-dimensional Axisymmetric System"
Journal of Chemical Physics , 143, 014117 (2015) arXiv

Tomohiro Matsushita*, Atsushi Kubota, Naohisa Happo, Kazuto Akagi, Natsuhiko Yoshinaga, and Kouichi Hayashi
"Fast Calculation Algorithm Using Barton’s Method for Reconstructing Three-Dimensional Atomic Images from X-ray Fluorescence Holograms"
Zeitschrift für Physikalische Chemie,230, 449-455 (2016)

Natsuhiko Yoshinaga,
"Spontaneous motion and deformation of a self-propelled droplet"
Physical Review E, 89, 012913 (2014) arXiv
Supplementary information

Hiroyuki Kitahata, Natsuhiko Yoshinaga, Ken H. Nagai, Yutaka Sumino,
"Dynamics of Droplets"
in, Pattern Formations and Oscillatory Phenomena edited by Shuichi Kinoshita

Ken H. Nagai, Fumi Takabatake, Yutaka Sumino, Hiroyuki Kitahata, Masatoshi Ichikawa, and Natsuhiko Yoshinaga,
"Rotational motion of a droplet induced by interfacial tension"
Physical Review E, 87, 013009 (2013) arXiv

Natsuhiko Yoshinaga, Ken H. Nagai, Yutaka Sumino, Hiroyuki Kitahata
"Drift instability in the motion of a fluid droplet with a chemically reactive surface driven by Marangoni flow"
Physical Review E, 86, 016108 (2012) arXiv
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Natsuhiko Yoshinaga and Philippe Marcq
"Contraction of cross-linked actomyosin bundles"
Physical Biology, 9, 046004  (2012) arXiv

Shunsuke Yabunaka, Takao Ohta, and Natsuhiko Yoshinaga
"Self-propelled motion of a fluid droplet under chemical reaction"
Journal of Chemical Physics, 136, 074904 (2012) arXiv

Hiroyuki Kitahata, Natsuhiko Yoshinaga, Ken H. Nagai, Yutaka Sumino
"Spontaneous Motion of a Belousov-Zhabotinsky Reaction Droplet Coupled with a Spiral Wave"
Chemistry Letters , 41, 1052-1054 (2012) arXiv
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北畑裕之, 義永　那津人, 永井健, 住野豊
パターン形成と結合した液滴の自発運動
日本物理学会誌, 67(6), 2012

義永　那津人
「表面」によって駆動されるコロイド粒子の自発的運動
分子シュミレーション研究会会誌　アンサンブル, 13(2), 2012

Hiroyuki Kitahata, Natsuhiko Yoshinaga, Ken H. Nagai, and Yutaka Sumino
"Spontaneous motion of a droplet coupled with a chemical wave"
Physical Review E Rapid Communication, 84, 015101(R) (2011) arXiv
selected by PRE Kaleidoscope Images: July 2011
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Philippe Marcq, Natsuhiko Yoshinaga, and Jacques Prost
"Rigidity sensing explained by active matter theory"
Biophysical Journal, 101, L33-L35 (2011) arXiv

Hong-Ren Jiang, Natsuhiko Yoshinaga, and Masaki Sano
"Active Motion of Janus Particle by Self-thermophoresis in Defocused Laser Beam"
Physical Review Letters, 105, 268302 (2010) arXiv
Editor's suggestion and Viewpoint in Physics, 3, 108 (2010) Debut of a hot “fantastic voyager”
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Natsuhiko Yoshinaga, Jean-Francois Joanny, Jacques Prost and Pilippe Marcq
"Polarity patterns of stress fibers"
Physical Review Letters, 105, 238103 (2010) arXiv

Takahiro Sakaue and Natsuhiko Yoshinaga
"Dynamics of Polymer Decompression: Expansion, Unfolding and Ejection"
Physical Review Letters, 102, 148302 (2009). arXiv

Hong-Ren Jiang, Hirofumi Wada, Natsuhiko Yoshinaga, and Masaki Sano
"Manipulation of Colloids by Nonequilibrium Depletion Force in Temperature Gradient"
Physical Review Letters, 102, 208301 (2009). arXiv

Natsuhiko Yoshinaga, E.I. Kats and A. Halperin
"On the Adsorption of Two-State Polymers"
Macromolecules, 41, 7744-7751 (2008)

Natsuhiko Yoshinaga
"Folding and unfolding transition in a single semiflexible polymer "
Physical Review E, 77, 061805 (2008). arXiv

Natsuhiko Yoshinaga and Kenichi Yoshikawa
"Core-shell structures in single flexible-semiflexible block copolymers: Finding the free energy minimum for the folding transition"
Journal of Chemical Physics, 127, 044902 (2007).

N. Yoshinaga, D. J. Bicout, E.I. Kats and A. Halperin
"Dynamic Core Shell Structures in Two State Models of Neutral Water Soluble Polymersr"
Macromolecules, 40(6), 2201-2209 (2007)

2006N. Yoshinaga
"Transition kinetics of a single semiflexible polymer"
Progress of Theoretical Physics Supplement, 161, 397-402 (2006).

2005 N. Yoshinaga, K. Yoshikawa and T. Ohta
"Different pathways in mechanical unfolding/folding cycle of a single semiflexible polymer"
European Physical Journal E, 17, 485 (2005).

K. Yoshikawa and N. Yoshinaga
"Novel scenario on the folding transition of a single chain"
Journal of Physics: Condensed Matter, 17, S2817-S2823 (2005).