共同研究・競争的資金等の研究課題

• 基盤研究(C), 2024年04月 - 2027年03月, 24K06978, 樟脳船を用いたアクティブマターの集団ダイナミクスの解明, 下川 倫子, 日本学術振興会, 科学研究費助成事業, 奈良女子大学, 4680000, 3600000, 1080000, kaken

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• 2025年09月 - 2026年03月, 研究代表者, 墨割のパターン形成ダイナミクスに関する実験的研究 ―美術作品から創発されるソフトマター物理における普遍法則の探求―, 下川倫子, 公益財団法人山田科学振興財団, 海外研究援助
• 2023年03月 - 2024年12月, エクスプロラシオン・フランス2024, 下川倫子, フランス大使館
• 2023年11月 - 2024年11月, 樟脳船を用いた実験による渋滞現象の解明, 下川倫子, 公益財団法人住友財団 基礎科学研究助成
• 基盤研究(C), 2021年04月01日 - 2024年03月31日, 21K11789, 統計モデルと数理モデルを融合した集団運動時系列分析手法の開発, 高見 利也; 大城 英裕; 行天 啓二; 下川 倫子, 日本学術振興会, 科学研究費助成事業 基盤研究(C), 大分大学, 4160000, 3200000, 960000, 本研究は、時系列情報をもとにシステムのモデル化を行い、人の動きや自己駆動粒子を含む複雑な運動の分析手法を開発することが最終的な目的である。初年度の研究では、ビデオ映像の分析技術に関しては、映像時系列分析手法の検討と映像分類を実施した。集団運動による時系列の例である心電図に関しては、心筋の振動モデルを実装した。以下、これらに関してそれぞれ記述する。
  ビデオ映像に関する実績では、人の動きをとらえたビデオを分析し、動きによって分類するシステムを試作した。空間方向2次元と時間の方向を合わせて三次元のデータを分析するには、広く画像の分析に使われる2次元の畳み込みに加えて、時間方向の畳み込みを導入する必要があるが、まずは時間方向を特別視しない均質な三次元畳み込み層を導入して、その性能について検証を実施した。また、類似の運動を記録した二つの時系列データ間で、時間遅れの存在を検出するために、既存の動的時間伸縮法(Dynamic Time-Warping, DTW)を応用したシステムを検討した。今後、動的モード分解(Dynamic Mode Decomposition, DMD)を利用した時系列分割のシステムと融合する形で、自己駆動粒子の実験映像から得た時系列データの分析に使用していく予定である。
  心電図については、心電図を再現することのできる数理モデルの一つを実装し、今後の詳細な分析のためのデータを作成した。心電図は集団的に振動する心筋細胞の表面電位を体表面で記録したものであるが、この時系列データから心筋細胞の運動を再現することは解析的な手法では不可能であり、いわゆる逆問題を解く必要がある。そこで、この逆問題を深層学習を利用して解決することが可能かどうかを検討するためのデータ作成を目的としたものである。このデータを利用した逆問題の分析手法の確立は、次年度以降に実施する。, kaken

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• 基盤研究(C), 2018年04月 - 2024年03月, 18K03572, 界面不安定性による多角形渦輪の形成メカニズム, 下川 倫子; 坂口 英継, 日本学術振興会, 科学研究費助成事業 基盤研究(C), 福岡工業大学, 4420000, 3400000, 1020000, 本研究の目的は、渦輪の多角形への変形メカニズムの解明を通して粘性流体における非平衡界面の変形現象を理解することである。粘性流体中を沈降する液滴は 沈降過程で渦輪に変形した後、自発的にいくつかの液滴に分裂する。日常生活で使用する万年筆のインクとグラスに注いだ水を使えば、誰でも簡単に観察できる身近な現象であるが、液滴の形状や沈降速度が時間とともに変化する非定常な系であるため、そのダイナミクスが十分に理解されているとは言えない。そこで、我々は液滴と粘性流体の界面で生じる不安定化についての研究を通して、そのダイナミクスを理解することを考えた。昨年度は、沈降する渦輪の不安定化によるモード選択の揺らぎについて、実験と数値計算の両方からアプローチした。今年度は、粘性流体の水深を浅くした条件下で起こる水平方向の界面不安定性に焦点を当てた。実験で、液滴に含まれる界面活性剤の濃度と溶液の粘度を変化させ、実験を行い、二流体界面で不安定化が起こる領域を調べた。次に、二流体の界面張力差による液滴溶液の駆動、二流体界面で生じるコロイド凝集、二流体界面で凝集されたコロイドのはきよせを考慮した現象論的モデルを提案した。現象論的モデルから、二流体界面での安定性を調べたところ、実験と同様の傾向が得られた。以上のことより、上記3要素が水平方向の不安定化において重要であることが分かった。昨年度に実施した渦輪の不安定化のモード選択については、国際学会や国内の学会で発表し、海外の研究室のセミナーで講演した。また、本年度実施した水平方向の不安定化に関しては、国内の学会で発表し、現在、学術論文を投稿中である。, kaken

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• 基盤研究(C), 2018年04月01日 - 2021年03月31日, 18K11338, 自己駆動粒子系の映像解析によるデータ駆動型シミュレーション構築手法の研究, 高見 利也; 小林 泰三; 下川 倫子, 日本学術振興会, 科学研究費助成事業 基盤研究(C), 大分大学, 4420000, 3400000, 1020000, 2年次の研究としては、初年度の研究によって有効性が明らかになった動的モード分解による手法を、複雑な自己駆動粒子系の運動に適用するためのシステム開発を実施した。さらに、これを利用した誤差解析の手法を新たに検討し、運動状態の変化点の検出に応用できることを示した。
  まず、動的モード分解を2次元のBoidモデルによる粒子系に適用し、自己駆動粒子系の運動解析を実施することに関して、特異値分解によって擬似逆行列を求め、動的モード分解の手順に従ってモードを得るためのプログラムを開発した。ここでは入力として数値計算によって得られた粒子座標の時系列をそのまま利用したが、実験を録画したビデオ映像を入力として解析することについても、動的モード分解の部分はそのまま利用が可能である。この解析によって運動モードの取得をすることができたが、入力とした運動が多数の粒子による乱雑な運動であったため、シミュレーションを構築できるだけの明確なモード情報として取得することはできなかった。効率的なシミュレーション構築のためのモード情報の取得を実現するために、比較的規則的なデータを利用して検証を実施することから始める必要があることが分かった。
  動的モード分解を利用した誤差解析については、特異値分解の実施後、元のデータの近似的な再構成が可能であることを利用して、時系列の部分ごとの再構成誤差を評価するという手法（Shifted DMD）を新たに開発し、これによって、運動モードの変化点を検出できることを明らかにした。この結果は、すでに国際会議で発表し、国際会議論文として公開される予定である。, kaken

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• 2019年 - 2019年, 公益財団法人日本科学協会・第2期 海外発表促進助成, 下川倫子
• 基盤研究(C), 2015年04月01日 - 2018年03月31日, 15K04760, 時間方向並列化法に基づくマルチスケールシミュレーションの構築と検証, 高見 利也; 小林 泰三; 下川 倫子; 戸田 幹人; 高橋 公也; 藤崎 弘士, 日本学術振興会, 科学研究費助成事業 基盤研究(C), 大分大学, 4940000, 3800000, 1140000, 量子系、二成分流体系、音と流体の連性系に対して、マルチスケール表現を利用した並列計算を実施し、双曲型を除く偏微分方程式系に対して、時間と空間のマルチスケール表現による効率化が可能であることを確認した。しかし、分子動力学系など常微分方程式で表現される多体系の動力学に関しては、Parallel-in-Time法による時間並列計算の収束性が悪く、応用可能な範囲が少ないこともわかった。そこで、自己駆動粒子系を対象にした時間並列計算により収束性の性質について検証し、問題点を明らかにした。, url

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• 若手研究(B), 2015年04月01日 - 2018年03月31日, 15K17723, 滴の変形現象に関する実験的研究-非平衡系での界面現象の理解を目指して-, 下川 倫子, 日本学術振興会, 科学研究費助成事業 若手研究(B), 福岡工業大学, 4160000, 3200000, 960000, 粘性流体中を沈降する液滴は沈降過程で自発的に分裂する。誰でも簡単にできる身近な現象であるにもかかわらず，沈降しながら形や大きさが変化する非定常な系であるため取り扱いが困難であり，分裂を促す機構は明らかになっていなかった。我々は液滴の分裂を促す渦輪の不安定性の起源を知るため，不安定化波長を実験で測定した。この不安定化波長はレイリー・テイラー不安定性の成長率が最大になる波長とよく一致していたため，レイリー・テイラー不安定性が渦輪の不安定化において重要な役割を果たすことが分かった。, url

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• 2015年04月 - 2016年03月, 研究代表者, 滴変形の動的ダイナミクスに関する実験的研究, 私学振興事業, 学術研究振興資金（若手研究者奨励金）
• 2012年01月 - 2014年05月, 研究代表者, 重力不安定により形成される表面パターンの実験的研究, 住友財団, 基礎科学助成
• 基盤研究(C), 2011年 - 2013年, 23540454, 身近な非線形現象に対するマルチスケール的手法の確立と応用, 高見 利也; 藤崎 弘士; 下川 倫子; 小林 泰三; 戸田 幹人; 高橋 公也, 日本学術振興会, 科学研究費助成事業 基盤研究(C), 九州大学, 4940000, 3800000, 1140000, 期間全体を通して、身近に見られる非線形現象の実験的な解析と、計算機シミュレーションによる再現、および、メカニズムの解明を実施した。特に、ミルク表面のコーヒーフラクタルパターン形成の現象に関しては、その初期過程がビスカスフィンガリングであるという明確な解析結果を得ることが出来た。本研究では、観察される現象を出来るだけそのまま解析することを目指したため、通常とは異なるマルチスケール的なアプローチの開発が必要となった。この領域では、時間方向マルチスケール解析の有効性を明らかにし、今後の研究へとつながる成果を得た。, url

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• 2009年04月 - 2010年03月, 研究代表者, レイリーテーラー不安定性の中で見られる新しいフラクタル構造, 笹川科学研究助成
• 研究活動スタート支援, 2009年 - 2010年, 21840054, 粉体系の相転移現象に関する実験的研究, 下川 倫子, 日本学術振興会, 科学研究費助成事業 研究活動スタート支援, 摂南大学, 2028000, 1560000, 468000, 粉体に加えた外力がある臨界値を越えると粉体は動き出す。これを粉体の集団運動としてみると、静止した固体から流動化した液体に相転移が起こっているとみなすことができる。粉体の相転移現象を理解することを目指し、斜めに傾いた容器に粉体を入れ、振動加える実験を行った。この実験で粉体は重力に逆らって,斜面を登る。斜面上部に輸送される過程の中で、粉体は容器表面に様々なパターンを自発的に形成する。外力が大きくなるにつれ、表面には縞パターン,クラスターパターン,バブルパターン,無秩序パターンが出現する。また、独立に鉛直方向と水平方向に振動をかける実験から、鉛直方向だけのときよりも、水平方向の振動モードを加えたときのほうが斜面上部に粉体が輸送しやすくなることから、水平方向の振動モードは粉体を輸送する上で重要であることがわかった。さらに、高速度カメラの観察から、粉同士の衝突による相互作用が表面パターンを形成する上で重要であることもわかった。, url

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• 特別研究員奨励費, 2006年 - 2008年, 06J09777, 粉体系の不可逆な偏析現象と非平衡定常状態における揺らぎの実験的研究, 下川 倫子, 日本学術振興会, 科学研究費助成事業 特別研究員奨励費, 九州大学, 2400000, 2400000, 本年度は研究課題のキーワードにある「粉体の揺らぎ」に焦点を当て、実験を行った。粉体は粉、粒はもちろん、コロイド、磁性流体もその対象である。1、2年目は粉体の代表例であるガラスビーズ、砂糖を使った実験を行った。本年度は特殊な粉体であるコロイド溶液を用い、重力不安定な条件の下、発生する揺らぎが作る構造について調べた。その結果、コーヒーが牛乳界面に作る新しいフラクタルパターンを発見した。コロイド溶液として、身近にある密度の大きいコーヒーと密度の小さい牛乳を用いた。実験方法は、円形容器に牛乳を入れ、放置した後、静止した牛乳表面の中央に0.2mlのコーヒーの滴を静かに置くというものである。初期条件で軽い牛乳の上に重いコーヒーを載せているので、初期的に重力不安定な状態を作っている。そのため、牛乳とコーヒー滴の界面で揺らぎが発生する。実験から得られた主な結果は以下の2つである。
  (1)コーヒー滴を牛乳界面に置くと、滴は表面に沿って拡がり、約70秒後、表面パターンが観察された。画像処理で画像を2値化し、密度相関関数法とボックスカウント法を用いてフラクタル解析を行った結果、べき乗則に従うフラクタルパターンと判明した。フラクタル次元はコーヒー密度に依存せず、表面パターンが消滅する約400秒後まで、一定値1.88±0.06を示した。磁性流体の滴を用いて同様の実験を行い、コーヒーのパターンと一致するフラクタル次元1.88±0.04を得た。
  (2)コーヒーのフラクタルパターンは、密度の大きい表面のコーヒーが鉛直方向に沈み、埋めつくされた空間から面要素がぬけることで形成される。そのため、無限時間の極限でパターン面積は0に収束する。この消滅的性質は数学モデルのシェルピンスキーカーペットと共通している。このモデルの面積が指数関数的に減少することにヒントを得て、コーヒーパターンの輝度を測定し、パターン密度の時間変化を求めた。パターン密度は指数関数的に減少し、その時定数は70秒であり、前に述べたフラクタル解析が可能となる約70秒と一致した。, kaken

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