微生物集団の渦巻き運動を操る幾何法則を発見

　海中や水族館で目にする魚の群れなど、自律的に動き、時に集団となって群れや渦といった大きな構造を形成する物質群を「アクティブマター」といいます。アクティブマターは美しい生態現象と関係がありますが、農業被害をもたらすイナゴの大群や、人間を死に至らしめるがん細胞集団など我々の生活に悪影響を及ぼすものもあり、その動きの制御は社会的にも重要な課題と言えます。
　九州大学大学院理学研究院の前多裕介准教授の研究グループは、アクティブマターの代表例である微生物バクテリアの集団渦運動を最新の微細加工技術で解析し、微生物集団の複雑な渦巻き運動がシンプルな幾何学的法則で制御できることを初めて明らかにしました。示された集団運動の制御原理は、群れる生物に共通する運動メカニズムを明らかにする鍵となることが期待されます。
　今回の研究では、半径Rの円を二つ、それらの中心間距離をΔだけ離し、２つの円が重なった形の小さな容器を作成し、容器内でバクテリアの集団運動を計測しました。すると、２つの渦からなる「渦ペア」パターンが出現すること、そしてΔ/Rの値を調節することで渦ペアを制御できることがわかり、この幾何法則をVicsekモデルという群れ運動に関わる理論的モデルから導出することに成功しました。さらに、より多くの渦が存在する場合でもΔ/Rの値を調節するだけで、渦運動の組み合わせを自在に統制できることが明らかになりました。
　今回見出された幾何法則は、そのシンプルさから他の集団運動にも適用することができると考えられます。例えば、人工知能が搭載された自動車の渋滞の回避や、互いに衝突せずに安全かつ効率的な運転が求められるドローンの集団的な自動運転の実現に大いに貢献すると期待できます。
　本研究成果は、2017年7月13日に英国科学雑誌「Soft Matter」のオンライン速報版に掲載されました。近日中に確定版が掲載される予定です。

図1.渦ペアの転移：Δ/Rの値によって、回転方向が同一の渦ペアから反対向きの渦ペアへ転移する。

図2.設計したマイクロウェルの幾何形状とその幾何的パラメータ.