2019 Fiscal Year Research-status Report

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

Research Project

Project/Area Number	19K04896
Research Institution	Fisheries 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 – 2023-03-31
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 / エントロピー生成率
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ようにセルオートマトン（CA）モデルを用いた粒子モデルを基盤として、さらに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、局所エントロピーを評価できるものを計画している。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「多ブロック型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。 2019年度においては、多ブロック型ＣＡモデルの原型として、単一種のブロック型ＣＡモデルを構築し、ブロックの移動と経時変化のみから、チューリングパターンの創発が可能であることを示し、査読付き論文としてまとめることができた。これを拡張することで多ブロックＣＡモデルの構築が可能であると考えられる。また、この単一ブロックＣＡモデル自体でも、生物の様々な形の創発を説明する一助になるとともに、将来のロボットの群れ制御やIoTなどの複雑なネットワークの制御などに貢献できると考えられる。
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」の実績として示したとおり、目標のシミュレータを構築するための基盤となるプログラムを完成することができ、また論文として公表することができた。また、これと並行して、多相な物理化学現象をあらわすために、格子ガスモデル(LGA)や、格子ボルツマン法（LBM）の適用の検討や、エントロピーモデルの検討を進めている。
Strategy for Future Research Activity	2020年度においては、以下のことを検討している。（１）単一種のブロック型ＣＡモデルを基盤として、別の研究成果として公表しているライフゲーム型ルールを適用することによる、創発形態の制御を試みる。これにより、チューリングパターンの形の制御が可能となり、形態形成の制御へつながると考えらえる。（２）単一種のブロック型ＣＡモデルを複数種のブロックモデルに拡張する。これにより、生物細胞に近いより複雑な形状の創発を試みることが可能となる。（３）単一種のブロック型ＣＡモデルにおいてエントロピー評価が可能なモデルに拡張する。これにより、エントロピー生成率を定量的に評価できる基盤を構築する。（４）チューリングパターンの逆計算のアルゴリズムを検討し、形からパラメータを抽出する方法を検討する。これにより、形を記憶するメカニズムが分かり、遺伝子の創発などの検討が可能となると考えられる。
Causes of Carryover	研究目標としているシミュレータの基盤の開発や、その論文化は進んだものの、学内行事などとの関係で、学会発表、国際学会発表などの予定がとれず、旅費、学会参加費を中心に次年度使用額が生じた。2020年度においては、新型コロナウイルスの関係で、旅費の執行がうまくいかない可能性が高いため、他の研究公報の方法などを検討していく予定である。