研究
現在行っている研究・これから取り組もうとしている研究
個々の要素が相互作用して全体としての秩序を生み出す自己組織化現象は，自然界や社会システムにおいて広く見られます．私は，数理モデリングを通して自己組織化現象の核となる原理を明らかにし，さらにその原理をもとにさまざまな系に適用可能な「理にかなった」自律分散制御手法を構築しようとしています．私の研究分野は非常に学際的で，現象数理学・数理生物学・物理学・制御工学・ロボット工学・生物学・医学・社会科学・スポーツ科学などにまたがっています．
生物ロコモーションに内在する自律分散制御則の解明
生物は，予測不能的な環境下において，驚くほど適応的かつレジリアントな振る舞いをリアルタイムに生成します．本研究では，ヘビ，クモヒトデ，ムカデなどのさまざまな生物をモデル生物として採り上げ，行動観察・数理モデリング・ロボット実機実験を通してこれらの生物の実時間適応的なロコモーションに内在する自律分散制御則を明らかにしようとしています．
利他行動を示す生物個体群から切り拓くサバイバビリティの高いシステムの設計論
自然界には，各個体があえて不利益を被ることで，群れ全体として厳しい環境下でしぶとく生き延びる生物が多く存在します．たとえば，バクテリアのバイオフィルムでは，餌不足の他の細胞のために餌の摂取を一時的に控えたり[1]，他の細胞を生かすためにあえて自死する[2]ことが知られています．また，チスイコウモリは，3日間餌を食べられないと死んでしまいますが，互いに餌を分け与えることで数年間生き延びることができます[3]．これらの振る舞いに内在する制御原理を解明し，サバイバビリティの高い人工物の設計論を確立しようとしています．
[1] M. Asally et al., PNAS 109:1889-96 (2012)
[2] J. Liu et al. Nature 523: 550-554 (2015)
[3] G.S. Wilkinson, Nature 308: 181 (1984)
ヘテロ細胞群知能の解明
生体内の細胞集団は，環境に呼応した秩序構造を形成して動き回り，細胞単体では実現できないマクロな機能を発揮します．この細胞集団の合目的的な振る舞いは，外部観察者には「知能的」に見えるため，これを「細胞群知能」と呼んでいます．本研究では，個々の細胞の性質の違い（ヘテロ性）が集団全体の挙動にどのように影響するかに焦点を当て，さまざまな事例を採り上げ，細胞群知能に内在する普遍的な制御則の解明を目指しています．
「やわらかい」個体の群れに内在する自律分散制御則の解明
従来の群れの研究の多くは，群れの構成要素を質点や剛体とみなしていましたが，本研究では，柔らかい個体同士が物理的に相互作用することで生み出される群知能の原理を探ります．そこで，細長く柔軟な身体を持つ個体が互いに絡まり合って集団塊を形成し，その形態を状況依存的に変化させながら動き回る，イトミミズという生物に着目します．イトミミズの集団塊が，狭い場所や地面の凹凸がある複雑な実世界環境下でどのような仕組みで適応的に動き回るかを，行動実験・数理モデリング・シミュレーションにより明らかにしようとしています．
対人スポーツ競技に内在する制御・学習則の解明
対人スポーツ競技では，他者と連携や駆け引きを行う技能と，連携や駆け引きを通して互いに成長し続ける技能が必要とされます．様々なスポーツに共通するこの技能の制御・学習則は未だわかっていません．本研究では，競技ダンス等のさまざまな競技を採り上げ，スポーツ科学・数理科学・ロボティクスの異分野融合により，この謎を解明しようとしています．
交通システム・群ロボットの自律分散制御
自走機能を持つ複数の移動体（車やロボットなど）の流れを状況依存的に適切に制御する手法を構築しようとしています．たとえば，交通量の変動に応じて赤-青の切り替わりタイミングを自動調整できる交通信号の自律分散制御則や，さまざまな方向に進む移動体が「素早く，安全に，なめらかに」移動できるための自律分散制御則について考察しています．
経済活動を考慮したCOVID-19の流行の数理モデリング
新型コロナウィルス感染症（COVID-19）の流行は，全世界的に猛威を奮っています（2020年8月現在）．流行を阻止するためには，大型イベントを自粛する等，人と人との接触をできる限り少なくすることが必要ですが，その一方で自粛により膨大な経済損失が起きてしまうというジレンマが存在します．このジレンマを解消し，経済活動を維持しつつも流行を阻止するための方策を見出すことは，喫緊の課題です．そこで本研究では，上記ジレンマの解消についての議論をするためのプラットフォームになるような数理モデルの構築を行っています．
交友関係の形成過程に着想を得た非対称相互作用モデルに関する研究
非対称相互作用モデルは，人間社会における交友関係の形成過程に着想を得て，遊び心で作ったモデルです．パラメータの値をいろいろ変えてシミュレーションしてみたところ，多種多様なパターンが自己組織的に発現します．詳細はhttps://www.youtube.com/watch?v=1doJowB9yc0をご覧下さい．本研究では，この遊び心で作ったモデルに何の学術的意味があるのかを探求しています．
研究
過去に行っていた研究
密度振動子の流れの転換過程の解明
密度振動子は，底に細い管を取り付けた小さな容器に密度の高い流体を入れ，それを密度の低い流体が入った大きな容器に取り付けると，管を介して流体が振動する現象である．本研究では，流体の粘性率を変化させて流れの転換過程の詳細な測定を行い，得られた実験結果をもとに数理モデルを構築した．その結果，流れの転換過程は1)流体の粘性による転換の抑制効果，2)静水圧勾配による転換の促進効果，3)流体の管面からの剥離による転換のトリガー効果，の3つの要因の拮抗によって説明できることを明らかにした．
Multi-linear feedbackに基づく結合振動子系の制御
リミットサイクル振動子がその相互作用によってリズムを揃える同期現象は，自然界に広く知られた現象である．近年，工学や医学の分野において，このような結合振動子の位相関係を人為的に制御することが必要とされている．本研究では，位相モデルにおける結合関数の関数形をmulti-linear feedbackによって任意に変化させることで振動子の位相関係を制御する手法を提唱し，その妥当性をシミュレーションにより検証した．この手法は個々の振動子の詳細なメカニズムによらず用いることができるため，広範な分野での応用が期待できる．