エントロピーの渦

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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ます。

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す。

本研究室は、「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シミュレーションの構築を目指しています。

将来のステップとしは、この非平衡熱力学シミュレータを基礎として、「バイオマイクロマシン設計シミュレータ」や「文明・社会のシミュレーション」に応用したいと考えています。

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◆書籍の紹介

石田武志『再生可能エネルギーによる循環型社会の構築』成山堂書店　 ISBN 978-4-425-98511-1、2020年3月刊、2000円
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石田武志『システム工学で描く持続可能文明の設計図　―文明設計工学という発想―』大学教育出版　ISBN 978-4-86429-245-0、2014年6月20日刊行
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石田武志『人工知能ロボットがつくる「無人自動企業」の可能性: もう一つの人工知能　人工「低」能による群知能がつくる未来』電子書籍Kindle版、2016年3月
アマゾン　　目次
この本はamazonの電子書籍ｋｉｎｄｌｅのみでの販売です。

石田武志『EXCELでつくる生態系モデル: デイジーワールドモデルをつくる』電子書籍Kindle版、2017年3月
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国立研究開発法人　水産研究・教育機構
水産大学校　海洋機械工学科　石田武志研究室

水産研究・教育機構のホームページ

水産大学校のホームページ

■研究室名：　環境情報システム研究室
■所在地：　山口県下関市永田本町２－７－１

■研究室代表者：　海洋機械工学科　海洋機械学講座　教授　石田武志

■主な研究

１．フグ種・雑種鑑別システムの開発

フグは、種別ごとに体内での毒の分布状況が異なるため、可食できる部位が定められています。一方で、交雑したフグは、毒の部位が不明なため、調理されずに処分されます。

交雑種も含めた種の判別が可能となれば、フグの毒部位が明確になり、フグの無駄な処分が減るとともに、フグ種の誤判断の可能性も低くなると考えられます。

　本研究は、フグ種ごとに異なる体模様を再現するコンピュータモデルを開発し、そのモデルからフグ種の判定を行うシステムの構築を目指しています。

フグ模様の形成シミュレーションの事例

②魚群シミュレーションによる計数システムの開発

生簀（いけす）の内部の魚の動きを魚群シミュレーションにより再現し、さらに人工知能の技術と組み合わせることで、生簀から直接得られる情報（動画や超音波センサー等による生簀の一部の魚の動きの情報）から、高精度に魚数を推計するシステムの開発を目指した研究です。

魚群シミュレーションの事例

 

③沿岸域のエネルギーシステムに関する研究
・分散エネルギーの自己組織化ネットワークに関する研究
・海洋構造物の自己組織的形成に関する研究

1. 非平衡熱力学シミュレータの開発
   （ただいま整理中）

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2. 生命創発シミュレータの開発
   「メタ生命工学」とは、生命の創発原理や形態形成原理を解明し、それを広く工学に応用する研究です。本研究が対象とする世界は、ナノスケールとマクロスケールの間のメソスケール系を対象とします。生物はこのメソスケール系における自己組織化現象を利用して細胞などの複雑な機構を生み出しています。一方でこの系の現象を工学的に利用できていない原因の一つは、この領域におけるコンピュータシミュレーション手法が確立されていない（連続体力学が使えない、分子動力学では対象が大きすぎる）ためと考えられます。本研究室ではセルオートマトンモデル（以下CAモデル；ここには格子ガスモデル（LGA）、格子ボルツマン法（LBM）を含む）を階層構造にすることにより、メソスケール系のシミュレーションシステム「メソスケール・シミュレータ」を構築することを一つの目標としています。CAモデルは、情報演算や物質の形状・構造を空間的に明示できるとともに、特にLBMは熱力学の法則や化学反応則との対応をとりつつ、メソスケール系の非平衡熱現象や自己組織化現象の再現が可能であり、ミクロの現象とマクロの現象を結ぶためのツールとして有効な手法であると考えられます。本研究室では、「メソスケール・シミュレータの構築」と、これを用いて「細胞形状の自己組織的形成シミュレーション」の研究を行っています。熱力学法則や有限の反応規則の組合せで人工細胞が創発され、自己複製する過程をシミュレーションで示すことを目指しています。また同時に最小細胞（プロトセル）の人工的な合成のための道程を明らかていきたいと思っています。本提案の階層型CAモデルにより、メソスケール系の「基礎方程式」、「時空」、「機能」の各知見を統合する新しいツールを提供することができると考えられる。さらに本シミュレータの構築は、人工的な製造物の生産にも大きく貢献できると考えています。
   
   図　生命の起源をコンピュータシミュレーションで探る

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3. 文明工学の研究
   「文明工学」とは、筆者が提案した概念です。人類の知を結集することで次にくる文明のパラダイムシフトを「設計」できると考えられます。衰退していく日本の憂鬱な未来予測ではなく、未来の社会システムを自ら設計する方法を本書で提案するものです。著著『システム工学で描く持続可能文明の設計図　～　文明設計工学という発想 ～』（2014年６月刊行、大学教育出版）では、以下のポイントを述べています。エネルギー（エントロピー、セクセルギー）、生物進化など、理科系のなじみのある事柄から文明の在り方を考えてみることを意図しています。

①一つ一つの文明の誕生・発展・衰退の過程を生物に対比してとらえ、「文明の進化」という観点から文明を見直してみる。生物の世代交代が進化には不可欠であるように、様々な文明の誕生・崩壊も人類社会の進化にとっては必然的なものである。

②カンブリア紀の生物進化の爆発のように、進化は時として不連続である。文明も個々の文明の興隆・衰退の中で、農業革命、産業革命のように、大きなパラダイムシフトが起こってきた。さらに地球の歴史を俯瞰すると、生物も文明の進化も「加速」していることがわかる。次の大きなパラダイムシフトが近づいていることが予想される。

③文明を生物的視点で考える視点をさらにすすめ、生物のエネルギー過程、物質循環過程と同様に、文明もエネルギーと物質の流れで考えてみる。また、生物の自己組織化能力という視点を文明・社会にも適用してみる。

④文明をエネルギーと物質の流れで考えることができれば、工場のプラントや情報システムを考えるときの「システム設計」という手法を用いることができ、この方法で、次の文明を「設計」する方法を提案する。

⑤日本をケーススタディとして、次の文明である「太陽と海の文明」を設計してみる。数値的な詳細設計はまだ困難であるが、概念設計（ラフデザイン）を示すことができる。新しい文明は、太陽エネルギーや海洋エネルギーをベースに今より一桁大きいエネルギーを使える文明である。また自己組織化機械の実用化により、人間に代わって付加価値を自動的に創出できる文明である。