(57)【要約】【課題】  ダイナミックで変化に富む模様作成システムを提供する。  【解決手段】  化学反応の素過程を模擬する反応回路４と、化学物質の拡散を模擬する拡散デバイス５をシリコンウェハー上にアナログ集積化した反応拡散チップ１と、  その反応拡散チップ１に刺激９を入力する外部入力手段８と、  その外部入力手段８によって取り入れられた刺激９によって前記反応拡散チップ１のチップ面上に生じる電位分布に基づて創出された模様３を反応拡散チップ１から読み出して保存するディジタル機器１０とを備え、  前記反応拡散チップ１によって創出された模様３を前記ディジタル機器１０から出力することを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学反応の素過程を模擬する反応回路と、化学物質の拡散を模擬する拡散デバイスをシリコンウェハー上にアナログ集積化した反応拡散チップと、
その反応拡散チップに刺激を入力する外部入力手段と、
その外部入力手段によって取り入れられた刺激によって前記反応拡散チップのチップ面上に生じる電位分布に基づて創出された模様を反応拡散チップから読み出して保存するディジタル機器とを備え、
前記反応拡散チップによって創出された模様を前記ディジタル機器から出力することを特徴とする模様作成システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、従来のディジタル技術では不可能であった「自然を模倣した」反応拡散系を、シリコンウェハー上でアナログ集積化した反応拡散チップを用いてダイナミックな模様を作成する模様作成システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自然界の機能に学んだアーキテクチャを半導体チップ上に構築するという新しい試みがなされている。これは自然界の生き生きとした現象を半導体チップ上に具現化し、更にそこから新しい応用分野を展開しようとする試みである。
【０００３】
その一つの例に、自然・化学反応系（反応拡散系）をシリコンウェハー上で模擬する反応拡散チップの研究開発がある。
【０００４】
反応拡散系とは、非平衡状態において反応現象と拡散現象が混在したシステムのことをいう。物質やエネルギーの流れに伴う非平衡−開放系では、反応の非線形性が著しく強調されて、平衡系からは予測もつかないダイナミックで多様性に富む世界が出現する。
【０００５】
反応拡散チップは、チップ自体が化学反応と拡散の媒体を直接模擬するような機能を有している。従って反応拡散チップは、化学反応の素過程を模擬する反応回路と、化学物質の拡散を模擬する拡散デバイスの２つの構成要素からなっている。
【０００６】
この種の反応拡散系に関しては、例えば下記に示す非特許文献を挙げることができる。
【非特許文献１】三池英敏，森  義仁，山口智彦：非平衡系の化学III，反応・拡散系のダイナミクス  講談社  １９９７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
生き生きとした時空間パターンを生成する自然模倣型半導体デバイスである反応拡散チップは、将来様々な技術分野での展開が望まれている。
【０００８】
本発明の目的は、この反応拡散チップの特徴を生かしてダイナミックで変化に富む模様作成システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するため本発明は、
化学反応の素過程を模擬する反応回路と、化学物質の拡散を模擬する拡散デバイスをシリコンウェハー上にアナログ集積化した反応拡散チップと、
その反応拡散チップに例えば光、音、ディジタルデータなどの刺激を入力する外部入力手段と、
その外部入力手段によって取り入れられた刺激によって前記反応拡散チップのチップ面上に生じる電位分布に基づて創出された模様を反応拡散チップから読み出して保存するディジタル機器とを備え、
前記反応拡散チップによって創出された模様を前記ディジタル機器から出力することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は前述のような構成になっており、反応拡散チップによって創出される模様はダイナミックで変化に富んだものであり、このような斬新な模様をディジタル機器から出力して、例えば衣料品、日用品、装飾品など各方面に適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に本発明の実施形態を図面とともに説明する。図７は、反応拡散チップの概念図である。同図（ａ）に示す反応拡散チップ１は、それ自体が化学反応と拡散の媒体を直接模擬するような構成になっている。そのためベローゾフ・ジャボチンスキー（ＢＺ）反応と同じような散逸構造（エネルギーを消耗しつつ生まれる時空間パターン）がチップ面２の電位分布として現れ、その電位分布により例えば同図（ｂ）に示すような模様３を呈する。後述するようにこの模様３は、時間の経過と共に変化する。
【００１２】
図８は、反応拡散チップ１の内部構成を説明するための図である。反応拡散チップは、化学反応の素過程を模擬する反応回路と、化学物質の拡散を模擬する拡散デバイスとから構成されている。この図では二種類の化学物質（化学物質Ａと化学物質Ｂ）の自己・相互作用（反応）と拡散を模式的に示したものである。
【００１３】
同図（ａ）は、化学物質Ａと化学物質Ｂの化学反応の素過程を模擬して示しており、４がその反応回路である。同図（ｂ）に示すようにこの反応回路４が六角格子状に敷き詰めてあり、それらの間を拡散デバイス５で相互的に結合して反応拡散チップ１を構成している。
【００１４】
通常のディジタルプロセッサとは異なり、個々の反応回路４と拡散デバイス５は並列に動作して時空間パターンを創出している。個々の反応回路４と拡散デバイス５の非線形性に応じて、様々な種類の反応拡散チップを構成することができる。
【００１５】
図９は、ＢＺ反応回路の具体例を示す図である。オペアンプの正のフィードバック作用を利用して、化学反応物質の自己触媒反応（化学物質の急激な増加）を模擬して、ＢＺ反応と等価の発振回路を構成する。
【００１６】
オペアンプは、正入力（Ｖ１）と負入力（Ｖ２）の差を電流（ｌｏｕｔ〜Ｖ１―Ｖ２）に変換する回路である。オペアンプの正入力が増加すると出力電流も増加する。従って、出力端子の負荷が小さければ、オペアンプの出力端子の電圧も増加する。この電圧を同じオペアンプの正入力に与えることで、正のフィードバックが行われる。つまり、オペアンプの正入力と負の入力の差が正となったとき、オペアンプの出力は正のフィードバックにより急激に増加する。
【００１７】
この仕組みをＢＺ反応回路に組み込んだ。図中のオペアンプｆが前述のオペアンプの役割を果たす。もう一つのオペアンプｇと電圧源ΘおよびコンデンサＣは、
オペアンプｆの正のフィードバックを制御するためのものである。
【００１８】
このＢＺ反応回路は、次のような仕組みで動作する。  
（１）電圧［ｘ１］が電圧［ｘ２］より大きくなったとき、オペアンプｆにより電圧［ｘ１］は急激に増加する（正のフィードバックが起こる）。  
（２）電圧［ｘ１］が電圧源Θの電圧より大きくなると、オペアンプｇがコンデンサＣを充電しはじめ、それによって電圧［ｘ１］が増加する。  
（３）電圧［ｘ２］が電圧［ｘ１］を超えると、オペアンプｆのフィードバックがなくなり、電圧［ｘ１］は減少する。  
（４）その減少によって電圧［ｘ１］が電圧源Θの電圧より小さくなると、オペアンプｇによってコンデンサＣの電荷が放電され、その結果電圧［ｘ２］が減少する。  
（５）（１）へ戻る。  
以上の動作（１）〜（５）を繰り返すことにより、ＢＺ反応回路が発振する。
【００１９】
本実施形態では、ＣＭＯＳデバイスの非線形特性を利用して散逸構造を生み出す反応拡散チップを構成している。図１０は、そのＣＭＯＳ差動対のシグモイド特性を利用した反応回路の説明図である。
【００２０】
この回路は、Ｗｉｌｓｏｎ−Ｃｏｗａｎ神経振動子と呼ばれるモデルで、シグモイド伝達特性を有する興奮性と抑制性の神経細胞のカップリングモデルに相当し、両方の神経細胞間の相互作用を２つの物質の化学反応に対応させている。このＷｉｌｓｏｎ−Ｃｏｗａｎ反応回路は、興奮性の神経細胞回路６と抑制性の神経細胞回路７を組み合わせて構成している。
【００２１】
回路中のＶ／Ｉ変換器（シグモイド伝達特性）は、差動対回路（２個のｎＭＯＳトランジスタ）から構成されている。Ｖ／Ｉ変換器は、興奮（＋）及び抑制（−）入力を持つシナプスの役割を果たし、外部からの興奮性と抑制性の入力を受ける。
【００２２】
またこのＷｉｌｓｏｎ−Ｃｏｗａｎ反応回路は、外部からの制御入力に応じて、リミットサイクル解と定常解（入力に応じて２つの固定点を有する）が切り替わる性質を有している。
【００２３】
本実施形態ではＣＭＯＳ差動対のシグモイド特性を利用した反応回路を説明したが、セルオートマトンに基づくアナログ−ディジタル混載反応拡散チップを用いることも可能である。
【００２４】
反応回路と拡散デバイスの非線形性に応じて、様々な種類の反応拡散チップを構成することができ、図１１から図１３は、反応拡散チップからシリアルに読み出したチップ表面の出力電位の移り変わりを画面上で再構成して示した図で、各図とも（ａ）から（ｆ）へ時系列的に変化している。図中の白点が興奮状態、黒点が休止状態を示している。これらの図に示すように、ダイナミックなパターン（模様）が発生しており、これらのパターン（模様）は二度と出現することはない。
【００２５】
図１は、本発明の実施形態に係る模様作成システムを説明するための系統図である。同図に示すように反応拡散チップ１に対して外部入力手段８から刺激９を与える。この刺激９としては、例えば光、音あるいは画像などのディジタルデータなどがある。本実施形態では、０．５μｍＣＭＯＳプロセスで反応拡散チップ１を製作し、この反応拡散チップ１は約１ｍｍ2のチップ面上に２４×２４個のオレゴネーターセルを実装している。
【００２６】
光、音、ディジタルデータなどの刺激９が外部入力手段８でＤ／Ａ変換され、それが反応拡散チップ１の入力線を通して取り入れられると、反応拡散チップ１内で反応回路と拡散デバイスが並列に動作して時空間パターンを創出する。
【００２７】
反応拡散チップ１のピン数の制限から、出力はパラレルではなくシリアルに行われる。そのため反応拡散チップ１上のオレゴネータセルを順に１つだけ選択し、それを出力線に乗せる。選択セルを高速に切替えることにより、パラレル方式と同様の出力が得られる。
【００２８】
反応拡散チップ１はメモリー機能を持たないため、反応拡散チップ１からのデータはディジタル機器１０によって読み出され、それに内蔵されているメモリー（例えばフラッシュメモリー）に保存される。同図に示すように、保存したディジタルデータを刺激９として外部入力手段８に入力することもできる。
【００２９】
このようにして得られた画像データは、ディジタル機器１０あるいはその他の画像処理機器などによって例えば拡大、繰り返し、反転、集合、分散、着色の如き必要なデータ処理（加工）などが施されて各種の変化に富んだ模様３が出力される。
【００３０】
この模様３を原画として、例えば織機を介してシャツ，ネクタイ，ブラウス，スカートなどの衣料品１１のデザイン画、印刷機を介して広告１２の背景画、印刷機を介して包装紙や包装箱などの包装部材１３のデザイン画、印刷機を介して各種製品１４のデザイン画などとして使用することができる。
【００３１】
図２は、装飾品に適用した例を示した概略構成図である。指輪，ペンダント，ネックレス，ベルト，カバン,バック，腕時計などの携帯装飾品、額縁や置時計などの室内装飾品あるいは広告塔や看板などの屋外装飾体（イルミネーション等を含む）などの装飾品１５は同図に示すように、装飾品本体１６の内部に反応拡散チップ１と、それに接続された液晶表示ディスプレイ１７と、液晶表示ディスプレイ１７を駆動する電源（小型電池あるいは商用電源）１８を備えている。
【００３２】
反応拡散チップ１に与える刺激としては、装飾品１５の周囲の例えば環境音、環境光、周囲の風などがある。反応拡散チップ１から得られた模様３は時系列的に変化し、その模様３の移り変わりが液晶表示ディスプレイ１７を通して動画としてカラー表示されるようになっている。指輪などのように装飾品１５が小型の場合、模様３を大きく見せるために非球面レンズなどの拡大レンズを使用するとよい。
【００３３】
この例は装飾品に適用した場合を示したが、反応拡散チップ１を例えばパソコンや携帯電話機などのデータ処理装置に搭載し、そのデータ処理装置を操作していない待機モード時に、反応拡散チップから得られる模様の移り変わりをディスプレイ上に表示させることもできる。
【００３４】
図３は、ゲーム機に適用した例を示した説明図である。例えば携帯電話機やテレビゲーム機などのゲーム機１９に反応拡散チップ１を搭載し、それによって創出される時系列的に変化する模様３をゲームに使用することができる。反応拡散チップ１に入力される刺激としては、例えば環境音、環境光、表示された画像データなどが用いられる。前記模様３によって、例えば生き物の生死、繁殖、成長などをリアルに表現することができる。
【００３５】
図４は、機密鍵に適用した例を示した説明図である。反応拡散チップ１は二度と同じセル状態を呈示しないという特徴を利用して、データ通信時の秘密鍵を構成することができる。すなわち反応拡散チップ１からのデータをシリアルに読み出す際、オレゴネータ−セルの興奮状態と休止状態を二値化処理して、例えば図に示すような「１０１００１０１０１１１０１・・・」のようなデータ列を得ることができる。
【００３６】
このデータ列を機密鍵２０として、通信回線２１を使って暗号文２２を送る際の暗号化２３ならびに複合化２４に使用する。この例ではオレゴネータ−セルの状態を二値化処理して、得られたデータ列を機密鍵２０としたが、二値化処理しないで、反応拡散チップ１から直接得られる模様３（画像データ）を機密鍵２０として使用することも可能である。なお、機密鍵２０は使用する度毎に新規なものであるから、高いセキュリティが得られる。
【００３７】
図５は、空調装置に適用した例を示した説明図である。従来の扇風機などのゆらぎは、１／ｆ技術でコントロールされていたが、これでは自然のゆらぎを誠実に再現することができず、周囲の環境に対応した自然な風を得ることが難しかった。この例では、反応拡散チップ１がそれに入力される刺激９に感応することを利用したものである。
【００３８】
例えば扇風機２５や室内空調機２６などの空調装置の制御部（図示せず）に反応拡散チップ１が搭載されており、反応拡散チップ１には例えば室内の温度あるいは（ならびに）湿度、周囲の風量、周囲の明るさ（環境光量）、周囲の音（環境音量）、屋外の晴、雨、風、雪等の気象状態などの他の自然環境条件のうちの少なくとも１つが刺激９として取り入れられる。
【００３９】
この周囲の自然の刺激９に感応する反応拡散チップ１から得られるセル状態の二値化信号に基づいて、扇風機２５や室内空調機２６をコントロールする。そうすることによって環境に応じた自然な風量や温度、湿度を得ることができる。
【００４０】
図６は、反応拡散チップをロボットに搭載した例を示す説明図である。反応拡散チップ１を自走ロボット２７に搭載することにより、そのロボット２７は、ＬＥＤやレーザー光源などの光源２８に向かって途中にある障害物（図示せず）を避けながら自走することができる。
【００４１】
画像の一点における輝度の流れ方向およびその速さを局所速度という。またこの局所速度の集合を局所速度場と呼び、これが画像の動きを表す。反応拡散チップ１は光（刺激９）に感応するから、それをロボット２７に搭載することにより、反応拡散チップ１は前述の局所速度場を検出することができる。従って反応拡散チップ１からの検出信号に基づいてロボット２７をコントロールすることにより、ロボット２７は障害物を避けながら光源２８に向かって自走することができる。
【００４２】
前述の各例では反応拡散チップの一部の適用例について説明したが、この反応拡散チップならびにそれから創出される画像データ（模様）や信号などは、他の技術分野においても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態に係る模様作成システムを説明するための系統図である。
【図２】装飾品に適用した例を示す概略構成図である。
【図３】ゲーム機に適用した例を示す概略構成図である。
【図４】機密鍵に適用した例を示す概略構成図である。
【図５】空調装置に適用した例を示す概略構成図である。
【図６】ロボットに適用した例を示す概略構成図である。
【図７】反応拡散チップの概念図である。
【図８】その反応拡散チップの内部構成を説明するための図である。
【図９】ＢＺ反応回路の具体例を示す図である。
【図１０】ＣＭＯＳ差動対のシグモイド特性を利用した反応回路の説明図である。
【図１１】反応拡散チップのチップ面での電位の移り変わりに基づく模様の変化を示す図である。
【図１２】反応拡散チップのチップ面での電位の移り変わりに基づく模様の変化を示す図である。
【図１３】反応拡散チップのチップ面での電位の移り変わりに基づく模様の変化を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１：反応拡散チップ、２：チップ面、３：模様、４：反応回路、５：拡散デバイス、６：興奮性の神経細胞回路、７：抑制性の神経細胞回路、８：外部入力手段、９：刺激、１０：ディジタル機器、１１：衣料品、１２：広告、１３：包装部材、１４：製品、１５：装飾品、１６：装飾品本体、１７：液晶表示ディスプレイ、１８：電源、１９：ゲーム機、２０：機密鍵、２１：通信回線，２２：暗号文、２３：暗号化、２４：復号化、２５：扇風機，２６：室内空調機、２７：自走ロボット、２８：光源。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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