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機能創成セミナー Seminar on Mechanical Science and Bioengineering
第140回 | 2018年8月27日 14:00－15:00 基礎工学D棟4階 セミナー室（D404-08） |
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| Transport of liquid-gas two-phase flows in microchannels and applications for fuel cells | |
| Two-phase flows that involve liquid and gas fluids have played a critical role in a variety of microfluidic devices, which is being developed extensively in various scientific and technological disciplines including biological and medical processes, chemical reactors, and micro electrical-mechanical systems designed for lab-on-a-chip purposes. The studies have revealed intriguing applications of delivery agents using microbubbles such as therapeutic executions including targeted drug delivery and focusing ultrasound surgery, spraying drugs for pulmonary use, and microreactors. In addition, manipulation of the liquids in varied compositions and phases throughout channels at micro and nano scales is becoming feasible and profound in quite a few configurations confined by limited space for such localized processes as mixing, screening and sorting. To effectively and efficiently manipulate the flows, systematic investigation is needed to convey the generic physics that can be readily applied to various situations of interest. Due to complications of the geometric conditions at multiple length scales and interplays of different phases of fluids and solid walls, however, understanding of the governing mechanisms has been frequently hindered to provide a general base that can be facilely adopted in different systems. To overcome this, we have studied various motions of liquids and gases in microchannels using experimental and computational approaches for two-phase flows. Specifically, to study bubble transport in a microchannel with well controlled flow conditions, we have devised a mechanism to generate bubbles of desired size and velocity as moving in a continuous phase with a fixed ratio of gas to liquid mass fluxes. The device was used to study the stability of bubbles in aqueous solutions, specifically by adding a small amount of surfactant, which was found to prevent coalescence of bubbles and substantially enhance the stability of the two-phase fluid system. Another problem is concerned by the removal of liquid as a continuous phase. Water flooding in a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is a critical problem for substantially lowering the fuel-cell efficiency. To find an efficient way for removing water readily at desired flow conditions, we have devised a four-layered multi-U-shaped microchannel with drainage branches. In the flow patterns of wetting bubbles, water was effectively drained out while air remained in the channel without leaking through the branches. The gas/liquid transport can be further facilitated by adding a small amount of surfactant. The mechanisms were then tested in a PEMFC. Without need of raising temperature or performing sophisticated operation as conducted in many studies, the efficiency was significantly increased by 17% at the flow rate of 200 sccm and higher at larger flow rates; this can be easily scaled up by using stacks of such cells. The methodology can be extended to other microfluidic devices and bubble removal techniques as needed in direct methanol fuel cells. | |
| Kuo-Long Pan Professor, Mechanical Engineering, National Taiwan University; http://homepage.ntu.edu.tw/~panpeter/ |
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| 世話人：松永 大樹 / 参加者：未定 | |
第139回 | 2018年5月25日 16:00－16:00 豊中キャンパス国際棟 セミナー室 |
| 精子遊泳の流体数理モデリング：集団運動の理解に向けて | |
| 受精メカニズムの研究は観測技術と分子・遺伝子操作技術の発展に伴い、その新しい 描像が次々と明らかになってきている。それと同時に、新たな力学的課題も生まれ続 けている。例えば、生体内の流体はしばしば非ニュートン性を示すが、そうような流 体中での精子鞭毛の波形はニュートン流体中とは異なり、それゆえ周りの流れの様子 も異なってくる。本講演では、ヒト精子の顕微鏡映像に基づいた１匹の精子周りの流 れの数値解析を行い、それによって得られた少数のストークス極による精子遊泳の数 理モデルについてお話する。そして、一個体の鞭毛波形の詳細が、集団運動にどのよ うな影響を及ぼすのかを議論する予定である。 | |
| 石本健太 （オックスフォード大学数学研究所・日本学術振興会海外特別研究員， 東京大学数理科学研究科・特任助教） |
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| 世話人：犬伏 正信 / 参加者：未定 | |
第138回 | 2018年4月10日 14:00－16:00 基礎工学部棟 D404-08 共用セミナー室（D棟4階） |
| Multiscale and Multiphysics Analyses of Composites | |
| Materials have their hierarchical structures from nanoscale to macroscale. The structures in each length scale influence the bulk properties of the materials. In order to understand and predict macroscale properties of materials, it is important to analyze the roles and links of different length scales. To this end, multiscale analyses have been undertaken for different materials such as composites, metals, biomaterials, etc. The multiscale analysis spans from the molecular level to the macroscale level. As an example, a generalized multiscale analysis model has been developed for various composites materials including fiber composites, particulate composites, short fiber composites, etc. Very recently, new failure criteria were proposed for fibrous composite materials. The criteria are based on distinctive failure modes of the constituent materials such as fiber fracture, fiber buckling, matrix cracking and fiber/matrix interface debonding. The criteria use the stress and strain occurring in the fiber and matrix materials. Human bone was also analyzed using a similar multiscale approach. Then, a metallic material was briefly studied. | |
| Young W. Kwon, Distinguished Professor Dept. of Mechanical & Aerospace Engineering, Naval Postgraduate School, USA |
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| Multiscale modeling of the thermal fluctuations of dislocations and the coarsening of connected structures | |
| My talk will consists in two separate parts. The first part of my talk will focus on the thermal fluctuations of dislocations. The plastic behavior of metals and alloys is mostly controlled by the displacement of linear defects called dislocations. However, the behavior of these defects in temperature remains partially known due to the complexity of the strain field generated in their vicinity. We have recently derived an analytical solution for the energy of a weakly perturbed dislocation, allowing to characterize analytically the thermal fluctuations of straight dislocations. This analytical description matches remarkably well the fluctuation spectrum obtained from large scale molecular dynamics simulations, and reveal the interplay between long-range elastic interactions and the core energy of the dislocation. The second part of my talk will focus on the coarsening of connected structures by surface diffusion. Nanoporous and microporous materials are of great interest in a number of applications ranging from battery anodes to captors and capacitors. When surface diffusion is thermally activated, these porous microstructures evolve in time, leading to a descrease of their surface area and a drop of the properties of the materials. Using a phase-field model for surface diffusion, we have investigated the coarsening behavior taking place during the evolution of these structures. More specifically, we focused on the interactions between the morphological and topological characteristics of these structure during their evolution. | |
| Pierre-Antoine Geslin CNRS Researcher, Mateis lab, CNRS/INSA Lyon, Villeurbanne, France |
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| 世話人：君塚 肇 / 参加者：未定 | |
第137回 | 2018年3月5日 16:30－17:30 豊中キャンパス基礎工学部C棟4階セミナー室（C419室） |
| １分子の構造変化が制御する細胞集団のダンススタイル | |
| 複数の細胞が互いの細胞間接着によって１つの集団を形成してまとまって運動する集団的細胞運動は、胎生期において重要な役割を果たしており、ダイナミックな細胞集団の運動によって組織・器官は形成されていく。また、組織修復・再生の際にも集団的細胞運動が認められる。その一方で、ある種のがん細胞も同様の運動様式を利用することで周辺組織への浸潤・転移を引き起こすことが知られている。この集団的細胞運動では、先頭の一部の細胞が集団を進行方向に引っ張る牽引力を生み出し、後ろの大部分の細胞が細胞間接着を介して先頭からの指令（牽引力）を隣接する細胞に伝搬して共有するといった力学的バランスによって統率の取れた細胞集団の振る舞いが可能になる。そこには何らかの制御機構が存在していると考えられるが、その実体は明らかではない。我々は、これまでにRabファミリー低分子量G蛋白質のメンバーであるRab13とその標的蛋白質JRABが制御する細胞間接着分子の小胞輸送に注目し、上皮細胞間接着の形成機構についての研究を進めてきた。そのなかでJRABがRab13との結合によってその構造を変化させ、それに伴って新たに生み出される蛋白質-蛋白質間の相互作用が細胞集団内でのアクチン細胞骨格の再編成の時空間的な制御に繋がることを生化学的解析によって明らかにしている。また、JRABの構造変化ができないような変異体が、まるで、阿波踊りやラインダンスのような全く異なるスタイルの集団的細胞運動を引き起こすことを見出し、最も効率のよいバランスのとれた集団的細胞運動にはJRABの構造変化が重要であることを証明した。本セミナーでは、我々が従来の生化学および細胞生物学的解析にバイオインフォマティクス、コンピュータサイエンスやバイオメカニクスを組み合わせた学際的アプローチを持って明らかにしたJRABという１分子の構造変化が制御する集団的細胞運動についてお話ししたい。 | |
| 坂根 亜由子 （徳島大学大学院医歯薬学研究部生化学分野） |
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| 世話人：出口真次 / 参加者：未定 | |
第136回 | 2018年3月2日 13:00－14:00 豊中キャンパス 基礎工学部 Ｇ棟５階 Ｇ５０９ |
| 有限サイズ固体粒子を含む一様せん断乱流の数値シミュレーション | |
| 固体粒子を含む乱流は，河川における土砂の輸送や流動層反応器など， 多くの自然現象，工業プロセスと関係しており，そのダイナミックスの 理解が求められている．数値シミュレーションは，実験では入手困難な 詳細な情報を得ることが可能であることから，そのダイナミックスを解 明するための重要なツールとなっている．これまでに，コルモゴロフ長 よりも十分に小さな微小粒子に対して，質点近似を用いた多くの解析が なされてきたが，近年では，コルモゴロフ長よりも大きな有限サイズの 粒子に対して，粒子周りの流れをも完全に解析する「粒子解像シミュレー ション」が盛んに行われるようになっている．セミナーでは，粒子解像 シミュレーションを行うための幾つかの計算手法について，その問題点 などを解説するとともに，埋込境界法を用いて実施した有限サイズ粒子 を含む一様せん断乱流の数値シミュレーション結果を紹介する． | |
| 田中 満 （京都工芸繊維大学 工芸科学研究科 機械工学系） |
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| 世話人：後藤 晋 / 参加者：未定 | |
第135回 | 2018年2月20日 14:00－15:00 豊中キャンパス 基礎工・国際棟セミナー室 |
| Molecular Biomechanics and Cellular Mechanotransduction in Health and Disease | |
| Living cells sense mechanical signals, and respond actively by changing their phenotype. This process, termed as cellular mechanotransduction, is mediated by a combination of biochemical and biophysical mechanisms via mechanically induced changes in the structure and function of specific molecules and molecular complexes. Our specific attention is on the role of three macromolecular systems in cellular mechanotransduction, namely the integrin-mediated focal adhesions bridging the cell with the extracellular matrix (ECM), and linkers of the nucleoskeleton and cytoskeleton (LINC complexes), and the nuclear pore complex (NPC) at the interface between the cytoplasm and nucleus. Focal adhesions are the immediate sites of cell interaction with the ECM, and as such they play a key role in mechanosensing and mechanotransduction at the edge of the cell. LINC complexes physically link the cytoskeleton and nucleoskeleton to regulate force transmission to the nucleus; their direct associations with focal adhesions through filamentous actin bundles results in ultrafast mechanotransduction. Nuclear pores could also play a role in the overall process of cellular mechanotransduction by exquisitely controlling the material transport in and out of the nucleus, thereby regulating gene expression and protein synthesis. In this seminar, I will present some of our recent efforts aimed at better understanding of these interconnected molecular systems in the context of cellular mechanotransduction. | |
| Mohammad R. K. Mofrad, Professor Departments of Bioengineering and Mechanical Engineering, University of California Berkeley |
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| 世話人：出口真次 / 参加者：未定 | |
第134回 | 2017年12月4日 13:00－14:00 豊中キャンパス 基礎工学部 Ｄ棟４階 セミナー室 |
| 高分子構造形成と両親媒性分子自己会合の分子シミュレーション | |
| 高分子や両親媒性分子などのソフトマターは、構造制御の工夫により多種多様な物性を発現する新規材料として期待される物質である。我々は、ソフトマター系における構造形成機構を分子レベルで解明し新規材料の創出に寄与するため、高分子や両親媒性分子の分子シミュレーション研究に取り組んでいる。具体的には、孤立高分子鎖や溶液中における高分子鎖の構造形成、デンドリマーと高分子電解質の複合体化、両親媒性溶液中におけるミセル形成や中間相形成、などに関する分子シミュレーション研究を行っている。また、ソフトマター系における構造形成機構の解明を通して、様々な系に普遍的に存在する非線形法則を探求するという基礎科学研究も行っている。本セミナーでは、これらの研究成果の概略を述べ、最後に、高分子系および両親媒性分子系の非平衡ダイナミクスに共通する普遍的性質についての考察を行う。 | |
| 藤原 進（京都工芸繊維大学 材料化学系） |
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| 世話人：後藤 晋 / 参加者：未定 | |
第133回 | 2017年11月17日 10:30－11:30 大阪大学基礎工学研究科 C棟4階 C419室 |
| Inference of the stress field of a cell sheet | |
| The mechanical behavior of living tissues is deeply connected with many important biological questions, yet little is known about internal tissue mechanics. Since the traction forces exerted by cells on a planar, deformable substrate can be measured, we propose to combine traction force data with Bayesian inversion to estimate the internal stress field of a cell sheet. The method is validated using numerical simulations performed in a wide range of conditions. It is robust to changes in each ingredient of the underlying statistical model. Importantly, its accuracy does not depend on the rheology of the tissue. Combining Bayesian inversion with Kalman filtering allows to process time-lapse movies of the traction force field. As an example of application, we provide an estimate of the tissue stress field close to cell delaminations in an epithelial cell monolayer. | |
| Philippe Marcq (Institut Curie) |
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| 世話人：出口 真次 / 参加者：未定 | |
第132回 | 2017年11月8日 13:00－14:20 豊中キャンパス 基礎工学部 Ｄ棟４階 セミナー室 |
| 球のMHDシミュレーションと新しい可視化手法「4次元ストリートビュー」 | |
| 前半では球状容器内部でのMHD構造形成に関する最近の我々の研究を3つ 紹介する：(1) MHD緩和（単位球内部のMHD流体の磁気・運動エネルギー 緩和と構造形成）、(2) 球殻MHD対流（正多面体の対流パターン形成とそ のダイナモ）、(3) 薄い球殻での対流（single spiralパターンの形成）。 後半では大規模シミュレーションにおける可視化で現在標準的な方法と なっているポストプロセス可視化に代わる新しい可視化手法とその開発 状況を紹介する。 | |
| 陰山 聡 教授 神戸大学システム情報学研究科計算科学専攻 |
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| 世話人：後藤 晋 / 参加者：未定 | |
第131回 | 2017年10月24日 13:00－14:30 基礎工学研究科A棟 A３０４講義室 |
| Forging Mens et Manus: the MIT Experience in Upper and Lower Extremity Robotic Therapy | |
| The field of rehabilitation robotics has grown steadily over the past decade, making significant clinical contributions. Studies have demonstrated both the efficacy and advantages of robotics for assessing and treating motor impairment. Recent guidelines, such as the 2010 AHA American Heart Association’s “Comprehensive Overview of Nursing and Interdisciplinary Rehabilitation Care of the Stroke Patient,” endorsed the use of rehabilitation robotics for upper extremity rehabilitation. The same is true of the 2010 VA/DOD guidelines. The recent 2016 AHA guidelines reaffirmed the same standing. The purpose of this talk is (1) to provide a concise yet broad-based review of the neuroscience basis of motor rehabilitation for the upper and lower extremity, (2) a historical perspective on how the field has developed, (3) review the state-of-the-art for upper extremity robotics, (4) and lower extremity rehabilitation robotics, and (5) describe on-going research at MIT. | |
| Hermano Igo Krebs, Ph.D IEEE Fellow Principal Research Scientist & Lecturer MIT, Mechanical Engineering Dept Adjunct Professor University of Maryland, School of Medicine, Dept Neurology Visiting Professor Osaka University, Mechanical Science and Bioengineering Dept Fujita Health University, School of Medicine Newcastle University, Institute of Neuroscience Loughborough University, The Wolfson School of Engineering Member Scientific PhD Board University Campus Bio-Medico of Rome, Programme Bioengineering & Biosciences |
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| 世話人：平井 宏明 / 参加者：未定 |
