アリの実験とシミュレーション

今まで得られた実験結果から、出てきた様々な疑問に関して、シミュレーションの実験系の構築を行う。　自然の原理を探求するという大きな流のなかで、実験からのシミュレーションの位置づけを考える。
自然の現象を理解する上で、実験、シミュレーション、それぞれの役割とはなんだろうか？
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本研究「社会性昆虫の行動解析とモデル化」は東北学院大学教養学部　菅原研究室との連携で行われています。

研究の背景

自然の現象に対してある側面を切り出し、条件を整えたものが実験である。得られた実験結果にたいして、さらに本質的だと思われる要素を切り出し、コンピュータの力をかりて、さらに実験するのがシミュレーションである。　本質的だと思われるというのが、ポイントで、実験結果を説明するのに、なにが本質的な要素なのかを実験とシミュレーションを繰り返すことによって、見極めていく。
そして、最後に自然現象のある側面を捉えながらも、より一般的な概念を提示したものが理論である。

シミュレーション実験系の目的　ーワーカーとワーカーの関係ー

社会性昆虫であるアリは、未知な空間を探索する際に、個体間でどのような情報交換をおこなっているだろうか？　２個体のアリを未知な空間に入れたさい、頻繁に出会う様子が観察された。どのぐらい頻繁に出会っているのか、ランダムウォークする粒子系と比較することで議論する。

１．アリの個体長さを格子間隔にとる
２．ランダムウォークする粒子系と、近接相互作用する粒子系でのコンタクトの数を比べる

実験で得れた２個体間の距離の分布から,アリの近接相互作用において、　２体ポテンシャルと３体ポテンシャルの効果が期待される。

１．２体ポテンシャルは、引力である
２．２個体がコンタクトをとっているとき、３個体目には、斥力がはたらく
以上のポテンシャルによって駆動される粒子系を構築し、動経分布関数をもとめ、実験結果と比較する。

移動しながら情報交換するシステム

社会性昆虫で得られた結果を移動しながら情報交換するシステムとして捉えなおす。　各個体の内部状態の変化と行動のダイナミックス、個体間のポテンシャルから、どのような動的なシステムが構築できるであろうか。

シミュレーション実験系のHow to do　アリの属性と構造体

各個体の属性として、位置、速度などがあげられるが、これをＣ言語においては、「構造体」として実現する。構造体 (structure) においては、ひとつの変数がもつ属性をデータの集合体で共有するような形で扱える。配列は、一つの変数名に複数のデータを代入できましたが、それは全て同じ型である必要があったが、構造体は複数の型の関連する変数を「集合」として扱える。構造体を宣言した後は、プログラム内でドット演算子を用いて、agentの位置、方向を記述する。

プログラムの開発環境

プログラムの開発環境には、何種類かのものがあるが、シミュレーション、データ処理の目的に応じて使い分ける。
１．visual C++　ボタン配置など、ユーザーとのやりとりをwindow上で行いたい時に使う。
２．cygwin gcc　Unixで頻繁に使用されるシェルやコマンドなどのプログラムをWindows上でソースコードからコンパイルできるようにしたものコンパイルにはgccを使う。　
３．borand C bcc32　もっとも簡単に使えるCコンパイラー

画像処理方法

１．OpenGL unix windows　、Silicon Graphics社 (SGI) が中心となって開発した3Dグラフィックスのためのプログラムインターフェイス。2Dグラフィックスも可能である。OpenGLは、SGIをはじめ、HP、SUN、IBM、SONY-NEWSなどのUNIXワークステーションの他、Linux、FreeBSDなどのPC UNIXに加え、Windows、Macintosh等のPCで使用できるクロスプラットフォームのAPIである。オープン仕様として公開され、幅広い処理系に対応しているため、広く一般に普及している。非常に高速に動作し、高精度な3D画像を描画できる。有償・無償の豊富な補助ライブラリがあるのも特色として挙げられる。
２．DirectX windows　マイクロソフト社が開発したゲームおよびマルチメディア処理用のAPIの集合である。
３．X Window System（エックスウィンドウシステム、X11、X）とは、ビットマップディスプレイ上でウィンドウシステムを提供する表示プロトコルである。標準ツールキットとプロトコルを提供し、UNIX系オペレーティングシステム（OS）やOpenVMSなどでのグラフィカルユーザインタフェース（GUI）を構築するのに使われる。

今回のシミュレーションには、visual studioでプログラムを開発し、OpenGLで描画を行った。

今後の予定

ある境界のもとランダムウォークするエージェントはシミュレーションを構築した。
１．ランダムに出会う場合と近距離の相互作用がある場合の、個体間の距離の分布関数を計算する
２．プログラムの開発環境に関して、より安価なものを使用する