[論文レビュー] Steering plasmodium with light: Dynamical programming of Physarum machine

Andrew Adamatzky|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2009

Slime Mold and Myxomycetes Research参考文献 31被引用数 30

ひとこと要約

この論文は、局所的な照照明を用いることで、*Physarum polycephalum* のプラズモデウムの動きと形状を動的に制御できることを示しており、プログラマブルな生物学的コンピュータとしての機能を可能にしている。幾何学的光パターンを仮想的な鏡や障壁として用いることで、著者らはプラズモデウム波の正確な誘導、分裂、消去を実証した。これは衝突ベースコンピューティングやプログラマブルなバイオコンピューティングデバイスに不可欠な基本的なルーティング操作を可能にする。

ABSTRACT

A plasmodium of Physarum polycephalum is a very large cell visible by unaided eye. The plasmodium is capable for distributed sensing, parallel information processing, and decentralized optimization. It is an ideal substrate for future and emerging bio-computing devices. We study space-time dynamics of plasmodium reactiom to localised illumination, and provide analogies between propagating plasmodium and travelling wave-fragments in excitable media. We show how plasmodium-based computing devices can be precisely controlled and shaped by planar domains of illumination.

研究の動機と目的

• 栄養素に基づくプログラミングが引き起こす不可逆的変化を避けるために、光を用いたリアルタイムで逆転可能なプラズモデウム行動の制御法を開発すること。
• 照明が*Physarum*マシンにおけるルーティング、分裂、消去といった計算操作を実装できるかどうかを検討すること。
• 局所的な光刺激に対する反応としてのプラズモデウム波動のダイナミクスと、特に励起媒質における類似性を調査すること。
• 非侵襲的で即時の光入力を通じて、プラズモデウムベースのコンピューティングデバイスの動的再構成を可能にすること。

提案手法

• 長方形および三角形の形状をした照照明領域を、プラズモデウム波の伝播を操作する物理的障壁または反射板として用いた。
• プラズモデウムの負の光偏向性（光を避けようとする行動）を活用した。これにより、アクティブ領域の誘導、分裂、消去が可能になった。
• 実験では低照度（50–70 Lux）の照明を使用し、強い光嫌悪反応を避けて、微細で制御可能な行動変化を実現した。
• 幾何学的光パターンは、ぼんやりとした排斥領域ではなく、明確な境界を持つ鏡として機能させるために設計された。これにより、波の反射が予測可能になった。
• 波の誘導、消滅（消去）、回転（左/右）、分裂（増幅）の繰り返し実験を通じて、このアプローチの妥当性が検証された。
• 理論的モデリングでは、励起媒質における進行波断片（特にオレゴンレーター・モデル）との類似性を用いて、観察されたダイナミクスを解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 局所的な照照明を用いて、プラズモデウム波の伝播を制御的かつ逆転可能な方法で誘導・形状制御できるか？
• RQ2 幾何学的形状の照照明領域がプラズモデウム波行動に与える影響は何か？また、それらが仮想的な鏡や反射板として機能できるか？
• RQ3 光ベースの入力によって、*Physarum*マシンにおける基本的な計算操作（消去、回転、分裂）を実装できるか？
• RQ4 プラズモデウム波動のダイナミクスと励起媒質との関係は何か？特に光誘発刺激への反応として。
• RQ5 中程度の照度の光を用いて、断片化や胞子形成などの悪性生理的反応を誘発せずに、プラズモデウムをプログラミングできるか？

主な発見

• 形状を加工した照照明領域を用いることで、プラズモデウム波を正確に誘導・反射でき、観察された回転角度は約±45°であり、誤差範囲±15°内に収まった。
• 「Erase(A)」操作は、アクティブなプラズモデウム波の経路に大きな照照明領域を配置することで、完全に波が消滅する形で、波の不活性化と消去に成功した。
• 「Multiply(A)」操作では、1つのプラズモデウム波がわずかに左（A_L）と右（A_R）に分岐し、2つの明確な進行領域に分裂した。これは光を用いた波の分岐（分岐）を示している。
• 境界が明確で、プラズモデウム波の「波長」と同等のサイズの照照明領域は、ぼんやりとした排斥領域ではなく、効果的な反射板として機能した。
• 低照度（50–70 Lux）の光を用いた実験では、強い光嫌悪反応を回避し、断片化や胞子形成を誘発せずに、微細で制御可能な操作が可能になった。
• 観察された行動は、特にオレゴンレーター・モデルに類似した励起媒質における波動ダイナミクスに極めて近く、プラズモデウムと進行波断片との類似性を支持するものであった。