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

开发适用于耗散结构产生的生活和社会现象的非平衡热力学模拟器

基本信息

批准号：
19K04896
负责人：
石田武志
金额：
$ 2.83万
依托单位：
Fisheries Research and Education Agency
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

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、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。また、このモデルは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。これに加えて、「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を行い論文をとりまとめを行っている。

生物体和社会是通过局部相互作用而自组织的，并在代谢能量和材料时自主运作。自组织这种复杂形式的技术是工程学的最终目标之一。这项研究开发了一种“非平衡热力学模拟器”，并为研究耗散结构持续存在及其以复杂方式演化的条件奠定了基础。该模拟器基于粒子模型，使用元胞自动机（CA）模型来描述元素的运动和相互作用，结合使用反应扩散方程的“生成形态的自组织模型”，并进一步计算局部熵。计划一些可以评估的事情。我们还提出了一种“多元素CA模型”，可以描述与少量细胞的各种相互作用，克服了传统CA模型无法表达复杂形状的缺点，并开发了一个模拟器来“设计”形状的出现。使用2019年开发的生成图灵模式的CA，我们将能够完成一个程序，该程序将成为2022年“多元素CA模型”的基础，并且将能够生成细胞状形状（边界形成），模拟能量代谢和自我复制的现象成为可能，并且我们能够将其作为论文发表。此外，该模型被构建为能够进行熵评估的模型，为即使在CA空间中定量评估构型熵和熵生成率奠定了基础，并汇编成论文。此外，我们正在进一步开发“多因素CA模型”，将其扩展为实现遗传信息元素的出现和进化过程的模型，并撰写论文。