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研究者紹介

制御工学や数理最適化の先端的な理論研究を推進し，それらを合成生物学や分子ロボティクスなどの分野に応用することで，人工生体分子システムの設計プロセスを体系化し高速化することを目指しています．特に，数理・計算，生物，デバイスを統合し，理論と実験をつなぐマイクロ流体デバイスなどのテストベッド開発も含めたプラットフォームを構築することで，微生物や分子を材料とする工学システムの体系的な設計手法の確立に取り組んでいます．

研究業績紹介

■理論的および実験的プラットフォーム
・研究目的: L-2Lラダー型デジタル-アナログ変換器を用いた化学濃度を変調するための多層マイクロ流体化学刺激装置の開発
- タイトル: L-2L ladder digital-to-analogue converter for dynamics generation of chemical concentrations, Chatani Tomohito, Shiraishi Suguru, Miyazako Hiroki, Onoe Hiroaki, Hori Yutaka （Royal Society Open Science） 10 （ 4 ） 2023年4月
・研究目的: 線形フィードバックシステムにおけるロバスト不安定性半径の計算手法の開発と神経ダイナミクスへの応用
- タイトル: Robust Instability Analysis with Application to Neuronal Dynamics, Hara Shinji, Iwasaki Tetsuya, Hori Yutaka （2020 59th IEEE Conference on Decision and Control (CDC)） 6156-6161 2020年12月
■生体分子回路の設計と解析
・研究目的: 単一入力単一出力線形時不変システムにおける位相変化率の最大化による正確な不安定性マージンの解析と最小ノルム強安定化の達成
- タイトル: Exact Instability Margin Analysis and Minimum-Norm Strong Stabilization—Phase Change Rate Maximization, Hara Shinji, Kao Chung-Yao, Khong Sei Zhen, Iwasaki Tetsuya, Hori Yutaka （IEEE Transactions on Automatic Control） 69 （ 4 ） 2084-2099 2024年4月
・研究目的: バイオミメティクスおよびソフトロボティクスへの応用を目指した刺激応答性および非応答性ハイドロゲルを用いたマイクロファイバー形状プログラマブル材料の提案と実証
- タイトル: Microfiber-Shaped Programmable Materials with Stimuli-Responsive Hydrogel, Takeuchi Nobuki, Nakajima Shunsuke, Yoshida Koki, Kawano Ryuji, Hori Yutaka, Onoe Hiroaki （Soft Robotics） 9 （ 1 ） 89-97 2022年2月
・研究目的: パラメータ化された線形時不変システムのロバスト不安定性マージンの分析と合成生物学におけるリプレシレーターへの適用
- タイトル: Instability margin analysis for parametrized LTI systems with application to repressilator, Hara Shinji, Iwasaki Tetsuya, Hori Yutaka （Automatica） 136 110047 2022年2月
■最適化と制御理論
・研究目的: 資源制限された化学反応の有限時間安定性を解析するための代数的最適化アプローチの提案と正常動作期間の境界の計算
- タイトル: Finite-Time Stability Analysis for Resource Limited Chemical Reactions, Matsunaga Tomoki, Uemura Ryosuke, Hori Yutaka （IEEE Control Systems Letters） 5 （ 3 ） 815-820 2021年7月
・研究目的: 半正定値計画法を用いた反応拡散移流系の安定性または不安定性を決定するための数学的最適化アルゴリズムの提案
- タイトル: Analysing diffusion and flow-driven instability using semidefinite programming, Hori Yutaka, Miyazako Hiroki （Journal of The Royal Society Interface） 16 （ 150 ） 20180586 2019年1月
・研究目的: 一般化された周波数変数を持つネットワーク動的システムのロバスト安定性の解析と遺伝子調節ネットワークへの応用
- タイトル: Robust stability analysis for LTI systems with generalized frequency variables and its application to gene regulatory networks, Hara Shinji, Iwasaki Tetsuya, Hori Yutaka （Automatica） 105 96-106 2019年7月
■マイクロ流体力学と化学変調
研究目的: フィードバック制御理論、遺伝子工学、マイクロ流路デバイスを用いた確率的生体分子反応のダイナミクスの解析と設計のための理論と実験基盤の構築
研究目的: フィードバック制御理論と遺伝子工学を組み合わせて確率的生体分子反応のダイナミクスを分析・設計するための理論的および実験的基盤の構築
■確率的および分子システム
・研究目的: マルチエージェントシステムにおける頑健な不安定性の分析における位相変化率最大化の有用性の実証と、磁気浮上システムやリプレシレーターへの応用
- タイトル: Exact Instability Margin Analysis and Minimum-Norm Strong Stabilization—Phase Change Rate Maximization, Hara Shinji, Kao Chung-Yao, Khong Sei Zhen, Iwasaki Tetsuya, Hori Yutaka （IEEE Transactions on Automatic Control） 69 （ 4 ） 2084-2099 2024年4月
・研究目的: 確率的生体分子システムのモデリング、解析、設計のための基本理論と計算ツールのレビュー
- タイトル: Modeling and Analysis of Stochastic Reaction Kinetics in Biomolecular Systems, Hori Yutaka （New Generation Computing） 38 （ 2 ） 367-377 2020年5月
・研究目的: 分子通信ネットワークにおけるチューリング不安定性の解析のための計算的に扱いやすい代数的条件の提案
- タイトル: Semidefinite programming for Turing instability analysis in molecular communication networks, Hori Yutaka, Miyazako Hiroki （2019 IEEE 58th Conference on Decision and Control (CDC)） 1874-1880 2019年12月
■生物システムとセンサー
・研究目的: 細胞間コミュニケーションシステムの様々な空間周波数プロファイルを持つインパルス的な外乱の減衰能力の分析
- タイトル: Disturbance response analysis of cell-to-cell communication systems based on spatial frequency decomposition, Kotsuka Taishi, Hori Yutaka （IFAC-PapersOnLine） 52 （ 26 ） 65-69
・研究目的: 統計的指標を用いた内在的ノイズレベルの指定による確率的バイオ回路の設計のための計算フレームワークの開発
- タイトル: Optimization-based synthesis of stochastic biocircuits with statistical specifications, Sakurai Yuta, Hori Yutaka （Journal of The Royal Society Interface） 15 （ 138 ） 20170709 2018年1月
・研究目的: IFN-betaを介した細胞間コミュニケーションのシミュレーションによる高密度細胞環境でのマクロファージの安定応答獲得メカニズムの解明
- タイトル: Time evolution of microenvironment around cells regulated by the secretion activity and culture density of the cells, Yamagishi Mai, Hori Yutaka, Uemura Sotaro, Ohara Osamu, Shirasaki Yoshitaka （2017 International Symposium on Micro-NanoMechatronics and Human Science (MHS)） 1-5 2017年12月
■信号処理と通信
・研究目的: 周波数応答を用いた分子通信チャネルにおける信号歪みの解析手法の提案
- タイトル: Analysis of Signal Distortion in Molecular Communication Channels Using Frequency Response, Kitada Shoichiro, Kotsuka Taishi, Hori Yutaka （New Generation Computing） 42 （ 2 ） 253-270 2024年6月
・研究目的: システム理論モデルと伝達関数を用いた大規模マルチエージェント分子通信システムの安定性解析手法の提案
- タイトル: Stability Analysis for Large-Scale Multi-Agent Molecular Communication Systems, Kotsuka Taishi, Hori Yutaka （IEEE Transactions on NanoBioscience） 23 （ 3 ） 507-517 2024年7月
・研究目的: 境界付き環境における一次元分子通信チャネルの周波数応答の解析フレームワークの提案
- タイトル: Frequency response of diffusion-based molecular communication channels in bounded environment, Kotsuka Taishi, Hori Yutaka （2022 European Control Conference (ECC)） 327-332 2022年7月
■生物および環境分析
・研究目的: 細胞サイズ空間における様々な高分子の共存がタンパク質の局在化と生化学ネットワークを調節する効果の研究
- タイトル: Multimolecular Competition Effect as a Modulator of Protein Localization and Biochemical Networks in Cell‐Size Space, Nishikawa Saki, Sato Gaku, Takada Sakura, Kohyama Shunshi, Honda Gen, Yanagisawa Miho, Hori Yutaka, Doi Nobuhide, Yoshinaga Natsuhiko, Fujiwara Kei （Advanced Science） 11 （ 6 ） 2024年2月
・研究目的: 一般化された循環追跡メカニズムの下での動的マルチエージェントシステムの集団行動の解析
- タイトル: Graphical and Analytical Approaches for Analyzing Collective Behavior of Dynamic Multi-Agent Systems Governed by Generalized Cyclic Pursuit Mechanism, Kwak Taeheon, Kim Yeongjae, Hori Yutaka, Kim Tae-Hyoung （IEEE Access） 11 140481-140495
・研究目的: 光フラックスと培地濃度に基づく微細藻類の成長プロファイルを予測する数学モデルの開発
- タイトル: A parametric logistic equation with light flux and medium concentration for cultivation planning of microalgae, Kambe Kazuki, Hirokawa Yasutaka, Koshi Asuka, Hori Yutaka （Journal of The Royal Society Interface） 19 （ 191 ） 2022年6月
■不確かさの定量的扱い
・研究目的: 確率的化学反応における分子コピー数の定常状態モーメントの定量化のための凸最適化手法の提案
- タイトル: A convex approach to steady state moment analysis for stochastic chemical reactions, Sakurai Yuta, Hori Yutaka （2017 IEEE 56th Annual Conference on Decision and Control (CDC)） 1206-1211 2017年12月

研究の応用領域

・制御工学、システム工学、合成生物学、分子ロボティクス

社会的意義

・分子システムの設計と解析を向上させることで、バイオテクノロジーや医療の革新を加速し、より効率的な医療ソリューションを提供することができます。
・微生物における人工生化学システムの理解と設計を向上させることで、合成生物学の分野での大きな進展をもたらし、さまざまな医療および産業用途に影響を与える可能性があります。
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