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Development of non-equilibrium thermodynamics simulator applicable to life and social phenomena produced by dissipative structure

Research Project

Project/Area Number 19K04896
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 25010:Social systems engineering-related
Research InstitutionFisheries Research and Education Agency

Principal Investigator

石田 武志  国立研究開発法人水産研究・教育機構, 水産大学校, 教授 (50438818)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Keywords非平衡熱力学 / 散逸構造 / セルオートマトン / チューリングパターン / 自己組織化 / 確率格子モデル / 化学マスター方程式 / 人工化学 / エントロピー生成率 / エントロピー / 反応拡散システム / 人工生命
Outline of Research at the Start

生物や社会は局所的な相互作用から自己組織的に形成され、エネルギーと物質の代謝を行いながら自律的に駆動している散逸構造である。本研究は、「非平衡熱力学シミュレータ」の開発を行い、散逸構造が創発され持続するための条件や、複雑に進化するための条件を検討する基盤を構築するものである。このシミュレータにより、生態系の構造を見通すことや、都市が誕生し発展する様子を形として見ることが可能となる。このような複雑な形態を自己組織的に構築する技術は、工学が目指す究極の目標の一つである。

Outline of Annual Research Achievements

生物や社会は局所的な相互作用から自己組織的に形成され、エネルギーと物質の代謝を行いながら自律的に駆動している。このような複雑な形態を自己組織的に構築する技術は、工学が目指す究極の目標の一つである。本研究は、「非平衡熱力学シミュレータ」の開発を行い、散逸構造が持続するための条件や、複雑に進化するための条件を検討する基盤を構築するものである。当該シミュレータは、要素の動きや相互作用を記述できるようにセルオートマトン(CA)モデルによる粒子モデルを基盤として、反応拡散方程式等による「形態を創発する自己組織化モデル」を組み入れ、さらに局所エントロピーを評価できるものである。また複雑な形状を表現できないという従来のCAモデルの欠点を克服し、少数セルで多様な相互作用を記述できる「多要素型CAモデル」を提案し、形状の創発を「設計」するためのシミュレータを目指すものである。
2020年度までに開発したチューリングパターンを生成するCAモデルを用いて、2022年度においては、「多要素型CAモデル」の基盤となるプログラムを完成することができ、細胞様形状の創発(境界形成)、エネルギー代謝、自己複製の現象をシミュレーションすることが可能となり、論文として出版することができた。2023年度においては、このモデルに遺伝的コードを記述する長鎖の粒子を導入することで、エネルギー代謝を制御する仕組みを導入し、よりエネルギー代謝性能がよい細胞様形状が生き残るという進化能力を示すことができ、論文として出版することができた。今後は、このモデルの開発をさらに進め、遺伝的な情報コード自身の創発プロセスを実現するモデルへと拡張を行うことを予定している。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

「研究実績の概要」において示したとおり、2022年度において「多要素型CAモデル」の基盤となるプログラムを完成することができ、細胞様形状の創発(境界形成)、エネルギー代謝、自己複製の現象をシミュレーションすることが可能となり、論文として出版することができた。また、このモデルにおいてエントロピー評価が可能なモデルとして構築し、配置エントロピーやエントロピー生成率をCA空間においても定量的に評価できる基盤を構築し論文としてとりまとめた。当初予定より、さらに1年の延長を申請したが2023年度においては、このモデルに遺伝的コードを記述する長鎖の粒子を導入することで、エネルギー代謝を制御する仕組みを導入し、よりエネルギー代謝性能がよい細胞様形状が生き残るという進化能力を示すことができ、論文として出版することができた。このように2023年度においては、「非平衡熱力学シミュレータ」の基盤を構築し、散逸構造が持続する現象をシミュレーションするプログラムを構築でき、当初の研究目的を達成できると考えている。

Strategy for Future Research Activity

2024年度においては、以下のことを検討している。(1)「多要素型CAモデル」の開発をさらに進め、短い遺伝的な情報子から長い情報子が自己組織的に創発するプロセスを実現するモデルの開発を行う予定である。これにより、エネルギー代謝する細胞状の形状の創発、遺伝情報子の創発と進化の創発プロセスを同時に実現するモデルが完成する予定である。(2)このプロジェクトで開発した「多要素型CAモデル」をさらに一般化して、「散逸構造シミュレータ」として完成させ、群れロボットの制御や、生態系や地域環境への応用方法を考察してまとめる。(3)「散逸構造シミュレータ」の一般公開用のモデルを検討していく。

Report

(5 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • 2019 Research-status Report
  • Research Products

    (12 results)

All 2024 2023 2022 2021 2020 Other

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 6 results) Presentation (2 results) Book (1 results) Remarks (3 results)

  • [Journal Article] Simulation of the emergence of cell-like morphologies with evolutionary potential based on virtual molecular interactions2024

    • Author(s)
      Ishida Takeshi
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 14 Issue: 1

    • DOI

      10.1038/s41598-024-52475-9

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Emergence Simulation of Biological Cell-like Shapes Satisfying the Conditions of Life Using a Lattice-Type Multiset Chemical Model2022

    • Author(s)
      Ishida Takeshi
    • Journal Title

      Life

      Volume: 12 Issue: 10 Pages: 1580-1580

    • DOI

      10.3390/life12101580

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 表計算ソフトによる熱エントロピーの理解促進ツールの開発2022

    • Author(s)
      石田武志
    • Journal Title

      水産大学校研究報告

      Volume: 70-3 Pages: 101-113

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] A model of octopus epidermis pattern mimicry mechanisms using inverse operation of the Turing reaction model2021

    • Author(s)
      Takeshi Ishida
    • Journal Title

      PLOS ONE

      Volume: 16-8 Issue: 8 Pages: e0256025-e0256025

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0256025

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Removal of Fish Odors Form Styrofoam Packaging to Improve Recycling Potential Using Hansen Solubility Parameters2020

    • Author(s)
      Takeshi Ishida
    • Journal Title

      Recycling

      Volume: 5 Issue: 4 Pages: 30-30

    • DOI

      10.3390/recycling5040030

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Emergence of Turing Patterns in a Simple Cellular Automata-Like Model via Exchange of Integer Values between Adjacent Cells2020

    • Author(s)
      Takeshi Ishida
    • Journal Title

      Discrete Dynamics in Nature and Society

      Volume: 2020 Pages: 1-12

    • DOI

      10.1155/2020/2308074

    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 多要素型セルオートマトンモデルによる持続型地域エネルギーシステムの創発シミュレータ2023

    • Author(s)
      石田武志
    • Organizer
      第93回マリンエンジニアリング学会 学術講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 表計算ソフトによるエントロピーの「見える化」ツールの開発2022

    • Author(s)
      石田武志
    • Organizer
      第92回マリンエンジニアリング学術講演会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Book] 再生可能エネルギーによる循環型社会の構築2020

    • Author(s)
      石田武志
    • Total Pages
      162
    • Publisher
      成山堂書店
    • ISBN
      9784425985111
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Remarks] VORTEX OF ENTROPY; Takeshi Ishida Laboratory

    • URL

      http://www.ecoinfo.jp

    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Remarks] Vortex of Entropy

    • URL

      http://www.ecoinfo.jp/wordpress-4.9.8-ja/wordpress/

    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Remarks] 水産大学校教員研究情報データベース

    • URL

      http://perch.fish-u.ac.jp/

    • Related Report
      2019 Research-status Report

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Published: 2019-04-18   Modified: 2024-12-25  

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