柳尾 朋洋 (ヤナオ トモヒロ)

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所属

理工学術院 基幹理工学部

職名

教授

ホームページ

http://www.f.waseda.jp/yanao/

兼担 【 表示 / 非表示

  • 理工学術院   大学院基幹理工学研究科

学内研究所等 【 表示 / 非表示

  • 2020年
    -
    2022年

    理工学術院総合研究所   兼任研究員

学歴 【 表示 / 非表示

  •  
    -
    2003年

    東京大学   総合文化研究科   広域科学  

  •  
    -
    2003年

    東京大学   総合文化研究科   広域科学  

学位 【 表示 / 非表示

  • 東京大学   博士(学術)

経歴 【 表示 / 非表示

  • 2011年
    -
     

    早稲田大学 理工学術院 准教授

  • 2011年
    -
     

    早稲田大学 理工学術院 准教授

  • 2009年
    -
     

    早稲田大学 理工学術院 専任講師

  • 2008年
    -
     

    カリフォルニア工科大学 日本学術振興会海外特別研究員

  • 2006年
    -
     

    京都大学福井謙一記念研究センターフェロー

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所属学協会 【 表示 / 非表示

  •  
     
     

    日本分子科学会

  •  
     
     

    日本物理学会

  •  
     
     

    米国物理学会

  •  
     
     

    応用数学会

 

研究分野 【 表示 / 非表示

  • 生物物理、化学物理、ソフトマターの物理

  • 数理物理、物性基礎

研究キーワード 【 表示 / 非表示

  • 統計力学、非線形力学、幾何学、応用数学、分子科学、生物物理学、天体力学

論文 【 表示 / 非表示

  • Geometric somersaults of helical chains through twist propagation

    Shiori Uda, Mengyun Li, Tomohiro Yanao

    Artificial Life and Robotics   23 ( 1 ) 28 - 33  2018年03月

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    This study is concerned with the rotary motions of helical chains that play essential roles in the functions of molecular motors in biological systems. While the standard pictures for the rotary motions of molecular motors may be more or less like the rotations of rigid bodies, this study explores a qualitatively different mechanism for the rotary motions. We take a simple model of a helical chain and highlight its geometric angle shifts induced by internal twist propagation. Such angle shifts, which we call geometric somersaults, can generally arise even under the conditions of zero total angular momentum, and are thereby analogous to the somersault of a falling cat. Helical chirality of the chain and the direction of twist propagation are the decisive factors that determine the direction of the resulting somersaults. As an application, we argue that the geometric somersaults of the helical chain may serve as a prototypical model for the rotary motions of the central shaft of ATP synthase.

    DOI

  • Analysis of medium-energy transfers to the Moon

    Kenta Oshima, Francesco Topputo, Stefano Campagnola, Tomohiro Yanao

    CELESTIAL MECHANICS & DYNAMICAL ASTRONOMY   127 ( 3 ) 285 - 300  2017年03月  [査読有り]

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    This study analyzes a recently discovered class of exterior transfers to the Moon. These transfers terminate in retrograde ballistic capture orbits, i.e., orbits with negative Keplerian energy and angular momentum with respect to the Moon. Yet, their Jacobi constant is relatively low, for which no forbidden regions exist, and the trajectories do not appear to mimic the dynamics of the invariant manifolds of the Lagrange points. This paper shows that these orbits shadow instead lunar collision orbits. We investigate the dynamics of singular, lunar collision orbits in the Earth-Moon planar circular restricted three-body problem, and reveal their rich phase space structure in the medium-energy regime, where invariant manifolds of the Lagrange point orbits break up. We show that lunar retrograde ballistic capture trajectories lie inside the tube structure of collision orbits. We also develop a method to compute medium-energy transfers by patching together orbits inside the collision tube and those whose apogees are located in the appropriate quadrant in the Sun-Earth system. The method yields the novel family of transfers as well as those ending in direct capture orbits, under particular energetic and geometrical conditions.

    DOI

  • Global search for low-thrust transfers to the Moon in the planar circular restricted three-body problem

    Oshima, Kenta, Campagnola, Stefano, Yanao, Tomohiro

    Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy     1 - 20  2017年02月  [査読有り]

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    © 2017 Springer Science+Business Media DordrechtThis paper globally searches for low-thrust transfers to the Moon in the planar, circular, restricted, three-body problem. Propellant-mass optimal trajectories are computed with an indirect method, which implements the necessary conditions of optimality based on the Pontryagin principle. We present techniques to reduce the dimension of the set over which the required initial costates are searched. We obtain a wide range of Pareto solutions in terms of time of flight and mass consumption. Using the Tisserand–Poincaré graph, a number of solutions are shown to exploit high-altitude lunar flybys to reduce fuel consumption.

    DOI

  • Geometric somersaults of a polymer chain through cyclic twisting motions

    Yanao, Tomohiro, Hino, Taiko

    Physical Review E - Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics   95 ( 1 )  2017年01月

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    © 2017 American Physical Society.This study explores the significance of geometric angle shifts, which we call geometric somersaults, arising from cyclic twisting motions of a polymer chain. A five-bead polymer chain serves as a concise and minimal model of a molecular shaft throughout this study. We first show that this polymer chain can change its orientation about its longitudinal axis largely, e.g., 120, under conditions of zero total angular momentum by changing the two dihedral angles in a cyclic manner. This phenomenon is an example of the so-called "falling cat" phenomenon, where a falling cat undergoes a geometric somersault by changing its body shape under conditions of zero total angular momentum. We then extend the geometric somersault of the polymer chain to a noisy and viscous environment, where the polymer chain is steered by external driving forces. This extension shows that the polymer chain can achieve an orientation change keeping its total angular momentum and total external torque fluctuating around zero in a noisy and viscous environment. As an application, we argue that the geometric somersault of the polymer chain by 120 may serve as a prototypical and coarse-grained model for the rotary motion of the central shaft of ATP synthase (FOF1-ATPase). This geometric somersault is in clear contrast to the standard picture for the rotary motion of the central shaft as a rigid body, which generally incurs nonzero total angular momentum and nonzero total external torque. The power profile of the geometric somersault implies a preliminary mechanism for elastic power transmission. The results of this study may be of fundamental interest in twisting and rotary motions of biomolecules.

    DOI

  • Jumping mechanisms of Trojan asteroids in the planar restricted three- and four-body problems

    Kenta Oshima, Tomohiro Yanao

    CELESTIAL MECHANICS & DYNAMICAL ASTRONOMY   122 ( 1 ) 53 - 74  2015年05月  [査読有り]

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    We explore minimal dynamical mechanisms for the transport of Trojan asteroids between the vicinities of the stable Lagrange points and within the framework of the planar restricted three- and four-body problems. This transport, called "jumping" of Trojan asteroids, has been observed numerically in the sophisticated Solar System models. However its dynamical mechanisms have not been fully explored yet. The present study shows that invariant manifolds emanating from an unstable periodic orbit around the unstable Lagrange point mediate the jumping of Trojan asteroids in the Sun-Jupiter planar restricted three-body problem. These invariant manifolds form homoclinic tangles and lobes when projected onto the configuration space through a discrete mapping. Thus the resulted lobe dynamics explains the mechanism for the jumping of Jupiter's Trojan asteroids. In the Sun-Earth planar restricted three-body problem, on the other hand, invariant manifolds of an unstable periodic orbit around do not exhibit clear homoclinic tangles nor lobes, indicating that the jumping is very difficult to occur. It is then shown that the effect of perturbation of Venus is important for the onset of the jumping of Earth's Trojan asteroids within the framework of the Sun-Earth-Venus planar restricted four-body problem. The results presented here could shed new insights into the transport mechanism as well as trajectory design associated with L-3, L-4 and L-5.

    DOI

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共同研究・競争的資金等の研究課題 【 表示 / 非表示

  • 複雑な流体現象のモデリング,マルチスケール構造の解明と数理解析

    研究期間:

    2016年07月
    -
    2019年03月
     

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    キャビテーション,衝撃波の伝播,多成分流体,大気の循環などの流体解析では,ミクロとマクロの境界で発生するマルチスケール現象や非平衡系の数学的解析が重要である.本研究では,複雑流体のモデリング,マルチスケール構造の解明と数学解析手法の確立を目的とする.2016年度は,モデリング,数学解析と応用に分けて研究を推進した.流体のモデリングについては,有限自由度の離散的な非平衡熱力学系についての変分的な定式化を行った.また,キャビテーション気泡と気泡クラウドに関する実験,レイリー・ベナール対流の解析を中心に行った.数学解析としては,ナビエ・ストークス方程式,オイラー方程式,非線型シュレディンガー方程式をはじめとする非線型発展方程式の初期値問題の時間大域解の存在を保障する先験評価に重要な役割を果たす対数型ソボレフ埋蔵に就いて研究し,放物型方程式に対してはその散逸構造に因り通常のソボレフ埋蔵の枠組で閉じている事を明らかにした.また,非圧縮粘性流体の自由境界問題を有界領域の場合に考察し、時間局所解の一意存在と時間大域解の一意存在及び解の漸近挙動を示した.さらに,複数の保存量を持つ微視的な系から非線形流体力学揺動理論を経て導かれると予想される,多成分 KPZ 方程式について考察し,殆ど全ての初期値に対し方程式は大域的適切性を持つことを示した.また,質量保存アレン-カーン方程式にノイズを加えて得られる確率偏微分方程式について,極限で確率的摂動を持つ質量保存平均曲率運動が導かれることを示した.数値解析として,準離散化方程式の対称性と保存則を研究し,ネーター定理を導き,高階の場の理論のために,マルチシンプレクティック構造の研究を行った.非線形力学の応用として,ミクロスケールでの高分子鎖の捩れ運動から生じる幾何学的位相を見出し,回転型分子モーターの回転軸運動の粗視化モデルに適用した.概ね順調に進んでいるが,研究代表者と分担者4名で研究内容が多岐に渡るため,全体のまとまりを考えて,本来の研究目的に沿って組織的に研究を遂行する必要があると考えている.複雑流体のモデリングについては,連続的な非平衡系としての変分的定式化の確立,レリー・ベナール対流の解析,気泡クラウドのマクロモデルの構築,確率的な気泡ダイナミクスの変分的定式化と解析を中心に進める.数学解析では,部分積分に依る時間発散型の高次繰り操みエネルギーとブレジス・ガルエの論法を駆使し,半相対論的方程式の高次相互作用が数学的に実現されるかどうか,検討する.また,2相流問題の考察を行い,まずは非圧縮・非圧縮の2相問題についての有界領域で外側の境界条件が自由境界条件の場合を考える.つづいて,一方が有界領域、外側がその補集合である全空間での2相問題を考え,この時間局所解,時間大域解、解の漸近挙動を示す.さらに,多成分KPZ方程式について,カップリング定数が3重線形性を満たさない場合の不変測度の研究,大規模相互作用系からのKPZ方程式の導出を目指した研究,ノイズ項が空間変数にも依存する確率アレン-カーン方程式や確率的平均曲率運動に関する研究などを進める.数値解析については,マルチシンプレクティック構造の研究を続け,流体力学への応用,特に拘束を含む系への応用を考え,離散的ディラック構造の研究も進行する予定である.非線形力学の応用として,高分子鎖の捩れ運動から生じる幾何学的位相の効果を,ベン毛微生物の遊泳機構の解明に応用する.できるだけ,分担者からの使用ができるだけ均一になるように早めの確認と連絡をしたい.また,大学院生による研究調査や協力のための謝金にも利用したい

  • 多体問題の動力学に基づく分子系および天体系の集団運動の統合的解明

    研究期間:

    2014年04月
    -
    2017年03月
     

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    ミクロな分子運動からマクロな天体運動まで、自然の各階層における多体系の集団運動を統一的に理解することは、現代科学の重要な課題である。本研究では、非線形力学、統計力学、微分幾何学の手法を駆使してこの課題に取り組んだ。その結果、ミクロな分子運動の階層においては、回転型分子モーターの運動機構やDNAの高次らせん形成に関する新たな幾何学的モデルを提案することができた。また、原子集合体の解離運動を駆動する集団的内力の競合過程を特徴付けることができた。マクロな天体運動の階層においては、共鳴重力アシストと周期軌道の不変多様体を併用することにより、燃料消費を抑えた宇宙機の天体間遷移軌道の設計を実現した

  • 変形と回転の幾何学に基づく複雑分子システムの集団運動と機能の解明

    研究期間:

    2011年04月
    -
    2014年03月
     

     概要を見る

    本研究課題では、原子分子集合体や生体高分子などの高度な秩序構造と機能を有する階層的分子システムの集団運動のメカニズムを、統計力学、非線形力学、幾何学の手法に基づき明らかにする研究を進めた。特に、オブレート-プロレート遷移や解離反応など、質量分布を大きく変える原子分子集合体の集団運動の駆動機構や、DNAを始めとする生体高分子の非対称な弾性特性と高次構造の形成機構の一端を明らかにした。さらに、分子系と天体系の力学的類似性に注目し、小惑星の遷移ダイナミクスに関する研究を推進した

  • 階層性をもつ複雑分子システムの集団運動の機構解明

     概要を見る

    本研究プロジェクトでは、高度な秩序構造を有する複雑分子システムの集団運動と機能発現の仕組みを、非線形力学と幾何学の観点から解き明かす研究を推進した。特に、原子・分子のクラスター(集合体)の構造変化の機構と速度過程を、分子内モード結合とエネルギー移動の観点から明らかにした。さらに、生物のDNAがもつユニークな弾性特性と、DNAの高次構造形成における右・左(キラリティ)の自発的選択のメカニズムの一端を明らかにした

講演・口頭発表等 【 表示 / 非表示

  • Mode-specific effects in structural transitions of atomic clusters with multiple channels

    SIAM Conference on Applications of Dynamical Systems  

    発表年月: 2015年05月

  • Collective motions of complex molecular systems driven by spontaneous symmetry breaking

    Workshop on Energy Landscapes  

    発表年月: 2014年08月

  • Chaotic state transitions in molecular and astronomical systems

    Workshop on Lagrangian Coherent Structures and Dynamical Systems  

    発表年月: 2014年03月

  • Geometric effects in shape dynamics of complex molecular systems

    International Symposium on Computational Materials and Biological Sciences  

    発表年月: 2013年09月

  • Intramolecular Energy Flow and the Mechanisms for Collective Motions of Complex Molecular Systems

    International Conference on Flow Dynamics  

    発表年月: 2012年09月

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特定課題研究 【 表示 / 非表示

  • 自然界における捩れ・渦・回転の協同運動の解明と予測

    2018年  

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    本研究では,ミクロからマクロまで,自然の各階層で生じる捩れ,渦,回転の協同現象を,非線形力学,統計力学,幾何学の観点から理論的に解明し,予測することを目的とした.特に,らせん構造を基本モチーフとする生体高分子の「回転」機構の新たなモデルの構築を目指して,らせん型フィラメントの上を捩れの波動が伝播することによって生じる幾何学的な角度変位の機構を明らかにした.また,分子系および天体系の基本モデルとして重要な3体問題に着目し,3体系の周期的な変形運動から生じる幾何学的な角度変位を,慣性主軸のキネマティクスの観点から定量化した.また,時間遅れ座標の手法を用いて,原子集合体の協同的かつ突発的な構造変化の前兆を捉え,この前兆が原子集合体の捩れ運動から生じる構造変化の駆動力の振る舞いと対応していることを明らかにした.

  • 多体系の非線形ダイナミクスから生じる集団運動の理解と応用

    2009年  

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    本研究の目的は、非線形力学および幾何学の手法を応用することで、原子・分子集合体のミクロスケールな運動から、天体・宇宙探査機のようなマクロスケールの運動までを「多体系の集団運動」という普遍的な観点から理解し、工学的に応用することにある。特に、ミクロとマクロ、および速い運動と遅い運動というスケール間の相互作用に注目し、多重スケールを有する複雑システムの集団運動の統一的な理解と制御を目指してきた。 本年度はまず、原子・分子スケールの興味深い現象として、オゾン分子の解離反応、アルゴンクラスターの構造異性化運動、水クラスターの構造変化運動を取りあげた。これらの現象は、どれも分子内の多くの自由度が協同的に関与することによって発生する集団運動である。このような集団運動の動的な機構を明らかにするために、我々は、近年開発した超球モード解析という多体系の振動回転運動の解析法を上述の系に応用した。その結果、上述の系において集団運動が発生する際には,系の内部モード間で特定のエネルギーの受け渡しが生じることが明らかになった。さらに、これらのエネルギーの受け渡しのパターンを解析することで、集団運動に直接的に関与する集団モードと、集団モードにエネルギーを注入する役割を果たす駆動モードが存在することが分かった。現在は、これらの集団モードと駆動モードを用いることで原子分子系の集団運動をコントロールする方法論を開発中である。また、この方法論を宇宙探査機の軌道計算へと応用する研究も開始している。 本研究ではまた、ナノメートルからマイクロメートルのスケールに渡る興味深い階層性システムとして真核生物のDNAを取り上げ、その折り畳みの機構の一端を探る研究を行った。まず右巻き2重らせん構造をもつDNAを弾性体のネットワークとしてモデル化し、その基本的な弾性特性を探った。その結果、DNAの曲げと捩れのカップリングの機構が明らかになり、DNAが折り畳み構造をとる際に右巻きと左巻きの間のカイラル対称性が破れる仕組みを明らかにした。

 

現在担当している科目 【 表示 / 非表示

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