2021 Fiscal Year Research-status Report
Development of non-equilibrium thermodynamics simulator applicable to life and social phenomena produced by dissipative structure
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19K04896
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| Research Institution | Fisheries Research and Education Agency |
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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)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| 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 |
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| 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。
2019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を用いて、2020年度においては、タコの擬態の再現を事例として、チューリングパターン画像から形状パラメータを逆算することで、模様再現ができるモデルを構築し、2021年度に論文として公表することができた。散逸構造が持続し、複雑に進化するためには、その形態を保存する情報子の創発が必要である（例えば、細胞ではDNAが必要）。このモデルは、散逸構造体が情報を記録するメカニズムの一端を解明することにつながるものである。また機械学習への応用という点でも、学習演算量が少ないモデルへとつながる可能性がある。
これに加え2021年度においては、目標とする「多要素型CAモデル」の基礎プログラムの構築を行い、細胞状形状の創発や複製を再現することができ、論文としてまとめている状況である。
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| 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、2021年度において。タコの擬態をイメージした逆チューリング計算を簡易に行うモデルについて論文を国際誌に出版することができた。また「多要素型CAモデル」を構築するための基盤となるプログラムをほぼ完成することができ、細胞状の形態や細胞の複製現象などを再現することができ、論文として投稿の準備を行っている。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ており、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。さらに、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）の適用の検討を進めており、「多要素型CAモデル」との統合を検討している。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度においては、以下のことを検討している。（１）現在構築している「多要素型CAモデル」を用いて、生物細胞に近い形状や自己複製の創発シミュレーション結果を論文としてまとめ投稿する。（２）「多要素型CAモデル」の開発をさらに進め、遺伝的な情報子の創発と進化のプロセスを実現するモデルへと拡張して論文をとりまとめを行う。ここでは、2021年度に公表した、タコの擬態をイメージした逆チューリング計算モデルを応用することにより検討を進める。（３）「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、今後の展開を考察してまとめる。
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| 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、その論文化は進んでいるものの、新型コロナウイルスなどとの関係で、学会発表、国際学会発表などの予定がとれず、旅費を中心に次年度に繰り越す予算が生じた。2022年度においても、旅費の執行については見通しがたっていない状況のため、研究公開について他の方法などを検討していく予定である。また「多要素型CAモデル」の計算を大規模に行うために、並列演算ができるクラウド計算環境の利用などを検討していく。
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Research Products
(3 results)
