氏名

ヤナオ トモヒロ

柳尾 朋洋

職名

教授 (https://researchmap.jp/read0061158/)

所属

(基幹理工学部)

連絡先

メールアドレス

メールアドレス
yanao@waseda.jp

URL等

WebページURL

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

研究者番号
40444450

本属以外の学内所属

兼担

理工学術院(大学院基幹理工学研究科)

学内研究所等

非線形偏微分方程式研究所

研究所員 2010年-2014年

理工学術院総合研究所(理工学研究所)

兼任研究員 2018年-

学歴・学位

学歴

-2003年 東京大学 総合文化研究科 広域科学

学位

博士(学術) 課程 東京大学 数理物理・物性基礎

経歴

2001年-東京大学 日本学術振興会特別研究員(DC2)
2003年-名古屋大学 日本学術振興会特別研究員(PD)
2004年-カリフォルニア工科大学博士研究員
2006年-京都大学福井謙一記念研究センターフェロー
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
2009年-早稲田大学 理工学術院 専任講師
2011年-早稲田大学 理工学術院 准教授

所属学協会

応用数学会

米国物理学会

日本物理学会

日本分子科学会

研究分野

キーワード

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

科研費分類

数物系科学 / 物理学 / 数理物理・物性基礎

数物系科学 / 物理学 / 生物物理・化学物理・ソフトマターの物理

研究テーマ履歴

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

研究テーマのキーワード:多体問題、太陽系、小惑星、分子、生体高分子、自己組織化、非線形力学、統計力学

個人研究

力学系理論を用いた宇宙ミッションの軌道設計

研究テーマのキーワード:宇宙ミッション、軌道設計、力学系理論、3体問題、4体問題

国際共同研究

生体分子モーターの運動原理の理論

研究テーマのキーワード:生体分子モーター、分子機械、ATP合成酵素、アクチン、タンパク質

個人研究

生物運動のモデル化と最適制御の力学

研究テーマのキーワード:ネコの宙返り、二足歩行、ゲージ理論、最適制御

個人研究

DNAの弾性特性と高次秩序構造の形成機構の解明

研究テーマのキーワード:DNA、クロマチン、らせん、カイラリティ

国内共同研究

幾何学および統計力学的な手法を用いた多重スケールを有する複雑分子系のモデル縮約

研究テーマのキーワード:次元縮約、複雑系、数値アルゴリズム

国際共同研究

階層性をもつ複雑分子システムの集団運動の機構解明

研究テーマのキーワード:分子、クラスター、化学反応、速度論

個人研究

論文

Nonlinear dynamics and geometry of collective motions of complex molecular systems

T. Yanao

American Institute of Physics Conference Proceedings1281p.1571 - 15732010年-

A nonequilibrium rate formula for collective motions of complex molecular systems

T. Yanao, W. S. Koon, and J. E. Marsden

American Institute of Physics Conference Proceedings1281p.1597 - 16002010年-

Intramolecular energy transfer and the driving mechanisms for large-amplitude collective motions of clusters

T. Yanao, W. S. Koon, and J. E. Marsden

The Journal of Chemical Physics130p.144111 - 202009年-

Elastic origin of chiral selection in DNA wrapping

T. Yanao and K. Yoshikawa

Physical Review E77p.021904 - 112008年-

Gyration-radius dynamics in structural transitions of atomic clusters

T. Yanao, W. S. Koon, J. E. Marsden, and I. G. Kevrekidis

The Journal of Chemical Physics126p.124102 - 172007年-

Collective coordinates and the mechanism for conformational transitions of complex molecules

T. Yanao, W. S. Koon, J. E. Marsden, and I. G. Kevrekidis

Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics7p.1080503 - 22007年-

Mass effects and internal space geometry in triatomic reaction dynamics

T. Yanao, W. S. Koon, and J. E. Marsden

Physical Review A73p.052704 - 112006年-

Mass-related dynamical barriers in triatomic reactions

T. Yanao, W. S. Koon, and J. E. Marsden

Few-Body Systems38p.161 - 1662006年-

Application of tube dynamics to non-statistical reaction processes

F. Gabern, W. S. Koon, J. E. Marsden, S. D. Ross, and T. Yanao

Few-Body Systems38p.167 - 1722006年-

(解説)ネコの宙返りと形空間のリーマン幾何学

柳尾朋洋

生物物理45p.66 - 712005年-

Effects of an intrinsic metric of molecular internal space on chemical reaction dynamics

T. Yanao and K. Takatsuka

Advances in Chemical Physics130p.87 - 1282005年-

Kinematic effects associated with molecular frames in structural isomerization dynamics of clusters

T. Yanao and K. Takatsuka

The Journal of Chemical Physics120p.8924 - 89362004年-

Collective coordinates and an accompanying metric force in structural isomerization dynamics of molecules

T. Yanao and K. Takatsuka

Physical Review A68p.032714 - 162003年-

Microcanonical temperature and its Arrhenius relation to lifetimes in isomerization dynamics of clusters

K. Takatsuka and T. Yanao

The Journal of Chemical Physics113p.2552 - 25622000年-

Timescale of isomerization reactions and isotropic inflation model of basin boundaries in cluster dynamics

T. Yanao and K. Takatsuka

Chemical Physics Letters313p.633 - 6381999年-

Chiral selection in supercoiling and wrapping of DNA

Yanao, Tomohiro;Yoshikawa, Kenichi

POLYMER SCIENCE SERIES C54(1)p.11 - 202012年-2012年

DOIWoS

詳細

ISSN:1811-2382

Geometric somersaults of a polymer chain through cyclic twisting motions

Yanao, Tomohiro; Hino, Taiko

Physical Review E - Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics95(1)2017年01月-2017年01月 

DOIScopus

詳細

ISSN:15393755

概要:© 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.

Control of a model of DNA division via parametric resonance

Koon, Wang Sang;Owhadi, Houman;Tao, Molei;Yanao, Tomohiro

CHAOS23(1)2013年-2013年

DOIWoS

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ISSN:1054-1500

Analysis of medium-energy transfers to the Moon

Oshima, Kenta; Topputo, Francesco; Campagnola, Stefano; Yanao, Tomohiro

Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy127(3)p.285 - 3002017年03月-2017年03月 

DOIScopus

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ISSN:09232958

概要:© 2016, Springer Science+Business Media Dordrecht.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.

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 Astronomyp.1 - 202017年02月-2017年02月 

DOIScopus

詳細

ISSN:09232958

概要:© 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.

らせん高分子の動的特性 : 対称性の破れがもたらす特質(シミュレーションの世界)

柳尾 朋洋;吉川 研一

シミュレーション33(1)p.55 - 582014年03月-2014年03月 

CiNii

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ISSN:02859947

Roles of dynamical symmetry breaking in driving oblate-prolate transitions of atomic clusters

Oka, Yurie;Yanao, Tomohiro;Koon, Wang Sang

JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS142(13)2015年-2015年

DOIWoS

詳細

ISSN:0021-9606

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

Oshima, Kenta;Yanao, Tomohiro

CELESTIAL MECHANICS & DYNAMICAL ASTRONOMY122(1)p.53 - 742015年-2015年

DOIWoS

詳細

ISSN:0923-2958

Chiral symmetry breaking of a double-stranded helical chain through bend-writhe coupling

Yanao, Tomohiro;Yoshikawa, Kenichi

PHYSICAL REVIEW E89(6)2014年-2014年

DOIWoS

詳細

ISSN:1539-3755

Dynamical Mechanisms for Collective Motions of Nanostructures (Geometric Mechanics)

柳尾 朋洋

数理解析研究所講究録1692p.46 - 562010年06月-2010年06月 

CiNii

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ISSN:18802818

The falling cat problem and shape effects in small molecules in a random environment: a case study

Hartmann, Carsten;Yanao, Tomohiro

MOLECULAR PHYSICS111(22-23)p.3534 - 35452013年-2013年

DOIWoS

詳細

ISSN:0026-8976

Intramolecular Energy Flow and the Mechanisms for Dissociation of Atomic Clusters

Yanao, Tomohiro;Oka, Yurie;Koon, Wang Sang

JOURNAL OF THERMAL SCIENCE AND TECHNOLOGY8(2)p.423 - 4342013年-2013年

DOIWoS

詳細

ISSN:1880-5566

Geometric somersaults of helical chains through twist propagation

Uda, Shiori; Li, Mengyun; Yanao, Tomohiro

Artificial Life and Robotics23(1)p.28 - 332018年03月-2018年03月 

DOIScopus

詳細

ISSN:14335298

概要:© 2017, ISAROB. 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.

外部研究資金

科学研究費採択状況

研究種別:

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

2014年-0月-2017年-0月

配分額:¥3510000

研究種別:

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

2011年-0月-2014年-0月

配分額:¥3770000

研究種別:

階層性をもつ複雑分子システムの集団運動の機構解明

配分額:¥2704000

研究種別:

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

2016年-0月-2019年-0月

配分額:¥17680000

学内研究制度

特定課題研究

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年度

研究成果概要: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...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。

自然界における捩れ・渦・回転の協同運動の解明と予測

2018年度

研究成果概要: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...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.

現在担当している科目

科目名開講学部・研究科開講年度学期
理工学基礎実験2A 機械・航空基幹理工学部2020春学期
機械科学と航空宇宙技術 15前再基幹理工学部2020春学期
機械科学と航空宇宙技術 15前再 【前年度成績S評価者用】基幹理工学部2020春学期
工学系の数理1基幹理工学部2020春学期
工学系の数理1  【前年度成績S評価者用】基幹理工学部2020春学期
ダイナミクス基幹理工学部2020秋学期
ダイナミクス  【前年度成績S評価者用】基幹理工学部2020秋学期
機械科学・航空実験1基幹理工学部2020春学期
機械科学・航空実験1  【前年度成績S評価者用】基幹理工学部2020春学期
機械科学・航空実験2基幹理工学部2020秋学期
機械科学・航空実験2  【前年度成績S評価者用】基幹理工学部2020秋学期
ゼミナール 15前再基幹理工学部2020通年
ゼミナール 15前再  【前年度成績S評価者用】基幹理工学部2020通年
卒業論文基幹理工学部2020通年
卒業論文  【前年度成績S評価者用】基幹理工学部2020通年
統計力学基幹理工学部2020春学期
Applied Mechanics and Aerospace Engineering Laboratory A基幹理工学部2020春クォーター
Applied Mechanics and Aerospace Engineering Laboratory B基幹理工学部2020夏クォーター
Dynamics A基幹理工学部2020春クォーター
Dynamics B基幹理工学部2020夏クォーター
修士論文(機械科学)大学院基幹理工学研究科2020通年
応用数学研究大学院基幹理工学研究科2020通年
統計力学特論大学院基幹理工学研究科2020秋学期
非平衡統計力学演習A大学院基幹理工学研究科2020春学期
非平衡統計力学演習B大学院基幹理工学研究科2020秋学期
非平衡統計力学演習C大学院基幹理工学研究科2020春学期
非平衡統計力学演習D大学院基幹理工学研究科2020秋学期
応用数学研究大学院基幹理工学研究科2020通年
機械科学演習A大学院基幹理工学研究科2020春学期
機械科学演習B大学院基幹理工学研究科2020秋学期