(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学反応の各プロセスの組み合わせを動的に変化させて自動的に所望の物質を生成する化学反応装置であって、
前記化学反応の各プロセスが取り得る状態のうち一の状態を取り得る複数の化学反応部により構成される複数の化学反応手段と、
前記複数の化学反応手段が出力する生成物が所望の物質にどの程度近いかを表す指標である適応度を算出する生成物分析手段と、
前記生成物分析手段による前記生成物の分析結果から、遺伝的アルゴリズムに基づいて、前記化学反応手段の処理機能を変更する制御手段と
を備え、
前記制御手段は、化学反応のプロセスの種類の数および化学反応のプロセスの数に応じて前記化学反応手段毎に前記遺伝的アルゴリズムを実行するための染色体を割り当て、
前記生成物分析手段により分析された各生成物の適応度に応じて前記化学反応手段毎に割り当てられた染色体の交叉処理または突然変異処理を行うことにより前記複数の化学反応手段の１つの染色体の変更を行い、
前記変更された染色体に基づいて前記化学反応手段における各化学反応部の前記状態を変化させる
ことを特徴とする化学反応装置。
【請求項２】
前記染色体は、複数桁の２進数によりなることを特徴とする請求項１に記載の化学反応装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記分析手段において算出された適応度に関して、該適応度の高い前記生成物に対応する染色体ほど他の染色体との間で交叉処理する確率を高くするようにする
ことを特徴とする請求項１に記載の化学反応装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学反応装置および方法に関し、特に、化学的な処理の機能を動的に変化させることで、自動的に、所望の物質を生成する化学反応装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、化学反応を行って所望の物質を生成しようとする場合、原料から所望する物質を生成する処理法が明らかであれば、その処理法に従って原料を操作することで所望の物質を生成することができる。しかし、処理法が明らかでない場合は、経験的に、あるいは手探り的に、様々な化学的操作を、原料に加えることで物質を生成することが要求される。従って、従来の技術で化学反応を行って所望の物質を生成しようとする場合は、経験による知識、および多くの人的操作が必要とされる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このように、所望の物質を生成する処理法が明らかでない場合は、経験による知識、および多くの人的操作を必要とし、所望の物質の生成法を見つけるために、相当のコストや時間を要するという課題を有している。
【０００４】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、所望の物質を生成する処理法を自動的に探すことができるようにして、経験による知識、および多くの人的操作をほとんど必要とせずに所望の物質の生成法を見つけるものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の化学反応装置は、化学反応の各プロセスの組み合わせを動的に変化させて自動的に所望の物質を生成する化学反応装置であって、化学反応の各プロセスが取り得る状態のうち一の状態を取り得る複数の化学反応部により構成される複数の化学反応手段と、複数の化学反応手段が出力する生成物が所望の物質にどの程度近いかを表す指標である適応度を算出する生成物分析手段と、生成物分析手段による生成物の分析結果から、遺伝的アルゴリズムに基づいて、化学反応手段の処理機能を変更する制御手段とを備え、制御手段は、化学反応のプロセスの種類の数および化学反応のプロセスの数に応じて化学反応手段毎に遺伝的アルゴリズムを実行するための染色体を割り当て、生成物分析手段により分析された各生成物の適応度に応じて化学反応手段毎に割り当てられた染色体の交叉処理または突然変異処理を行うことにより複数の化学反応手段の一つの染色体の変更を行い、変更された染色体に基づいて化学反応手段における各化学反応部の状態を変化させることを特徴とする。
【０００７】
請求項１に記載の化学反応装置においては、複数の化学反応手段が、化学反応の各プロセスが取り得る状態のうち一の状態を取り得る複数の化学反応部により構成され、生成物分析手段が、複数の化学反応手段が出力する生成物が所望の物質にどの程度近いかを表す指標である適応度を算出し、制御手段が、生成物分析手段による生成物の分析結果から、遺伝的アルゴリズムに基づいて、化学反応手段の処理機能を変更し、さらに、制御手段が、化学反応のプロセスの種類の数および化学反応のプロセスの数に応じて化学反応手段毎に遺伝的アルゴリズムを実行するための染色体を割り当て、生成物分析手段により分析された各生成物の適応度に応じて化学反応手段毎に割り当てられた染色体の交叉処理または突然変異処理を行うことにより複数の化学反応手段の一つの染色体の変更を行い、変更された染色体に基づいて化学反応手段における各化学反応部の状態を変化させる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の化学反応装置の一実施例の構成例を表している。この実施例は、複数の化学反応回路１−１乃至１−Ｎ（化学反応手段）を備える。化学反応回路１−１乃至１−Ｎは、原料入力器２から供給された原料を処理して生成物を生成し、その生成物を生成物分析器３（生成物分析手段）に出力するようになされている。さらに、化学反応回路１−１乃至１−Ｎは、演算装置４（制御手段）が供給する信号に応じて、回路の機能を変化させることができるようになされている。
【００１０】
生成物分析器３は、化学反応回路１−１乃至１−Ｎが生成した生成物をそれぞれ評価し、生成物が所望の物質に、どの程度近いかを表す指標である適応度を、それぞれの生成物に対して算出し、これらの適応度を演算装置４に供給する。演算装置４は、遺伝的アルゴリズム（ＧＡ：Genetic Algorithm）に基づいて、これらの適応度から、それぞれの化学反応回路１−１乃至１−Ｎに対して新たな機能を決定し、それらの機能を制御信号によって化学反応回路１−１乃至１−Ｎにそれぞれ供給するようになされている。
【００１１】
図２は、演算装置４の構成例を示している。演算装置４は、ＣＰＵ２１を備え、このＣＰＵ２１は、ＲＯＭ２２に記憶されているプログラムに従って各種処理、例えば、ＧＡのプログラムに従って、生成物分析器３より供給される各生成物の適応度に応じて、化学反応器１−１乃至１−Ｎの新たな機能を算出するようになされている。ＲＡＭ２３は、ＣＰＵ２１が各種処理をする上において必要なデータ、プログラム等を適宜記憶するようになされている。
【００１２】
生成物分析器３が算出した各生成物の適応度は、インターフェース２４を介して、演算装置４に供給される。同様に、化学反応回路１−１乃至１−Ｎに対する回路の機能を表す信号の供給と、原料入力器２に対する原料供給の指令も、インターフェース２４を介して行われるようになされている。
【００１３】
図３は、化学反応回路１−１（１−２乃至１−Ｎも同様に構成されている）の一実施例の構成例を示している。この構成例においては、化学反応回路１−１は、化学的な処理機能を電気信号によって変更することができるマイクロ流体システム（ＭＩＦＳ：Micro Integrated Fluid System）４１−１乃至４１−８を備える。ＭＩＦＳ４１−１，４１−５は、原料入力器２から原料を供給されるようになされている。そして、各ＭＩＦＳ４１−１乃至４１−８が、演算装置４によって指示された処理を行い、最終段のＭＩＦＳ４１−８が、生成物を生成物分析器３に供給するようになされている。なお、すべての化学反応回路１−１乃至１−Ｎは、同じ数のＭＩＦＳを有するものとする。
【００１４】
ＭＩＦＳ４１−ｉは、IEEE Micro Electro Mechanical Systems, January 25-28,1994において、THREE DIMENSIONAL MICRO INTEGRATED FLUID SYSTEM (MIFS) FABRICATED BY STEREO LITHOGRAPYとして、Koji Ikuta氏らによって紹介されているものを用いることができる。図４は、その構成例を表している。
【００１５】
ＭＩＦＳ６１（図３におけるＭＩＦＳ４１−ｉに対応する）は、マイクロ流体処理部６１ａと電子回路部６１ｂとを備える。このＭＩＦＳ６１においては、入力される液体に対して所定の処理を施すマイクロ流体処理部６１ａの機能を、電子回路６１ｂが、入力される制御信号に対応して制御、設定するようになされている。
【００１６】
マイクロ流体処理部６１ａにおいては、例えば、サンプル液とエルーション液の供給を受け、所定の処理を施し、そのとき発生される廃液を排出する。カラム６４、セル６３は、これらの液体を案内する。エルーション液は、ポンプ６２によって圧力を調整されるようになされている。
【００１７】
電子回路部６１ｂにおいて、演算回路６７は、ポンプ６２を駆動するアクチュエータ６８と、ポンプ６２の駆動によって変化する管内の圧力を監視する圧力センサ７０と、セル６３を通る廃液を監視する光センサ６９とを制御するようになされている。さらに、ピン７１を通して、外部（演算装置４）から演算回路６７に制御信号を供給することもできるようになされている。
【００１８】
この構成例に示されるＭＩＦＳ６１は、この他、例えば、熱を加える機能と振動を加える機能というように、複数の機能を備えさせて、制御信号によってバルブを開閉させることで、入力される液体に対して行う処理を選択することもできる。
【００１９】
図５は、各ＭＩＦＳ４１−ｉに、プロセスＡ乃至プロセスＥの５種類の機能のうちの所定の機能を制御信号によって設定するようにした場合において、各ＭＩＦＳ４１−１乃至４１−８に、プロセスＡ乃至プロセスＥのうちのいずれかの機能を割り当てた例を示す。
【００２０】
図１の実施例においては、各化学反応回路１−１乃至１−Ｎに遺伝的アルゴリズムを適用する。このため、各プロセスを、染色体として表現する。
【００２１】
図６に示すように染色体８１は、複数桁の２進数で表される。例えば、１個のＭＩＦＳに割り当てることのできるプロセスの種類が４種類ならば、２桁の２進数が必要になり、５種類乃至８種類ならば、３桁の２進数が、１個のＭＩＦＳとプロセスの組み合わせを表現するために必要となる。従って、プロセスの種類が５種類乃至８種類である、Ｎ個のＭＩＦＳを有する化学反応回路を表現する場合は、（３×Ｎ）桁の２進数が必要になる。
【００２２】
例えば、プロセスＡ乃至プロセスＥの５種類のプロセスがあるとすると、プロセスＡは、２進数０００で表現される。同様に、プロセスＢからプロセスＥまでを、順番に２進数００１から２進数１００までで表現することができる。
【００２３】
この構成例において、ＭＩＦＳの有する機能は５種類であり、１個の化学反応回路は、８個のＭＩＦＳ４１−１乃至４１−８で構成されているので、ＭＩＦＳと処理の組み合わせを表現するためには、２４桁（＝８個×３桁）の２進数が、化学反応回路ごとに必要とされる。そして、この２４桁の２進数が、１個の化学反応回路における、ＭＩＦＳと処理の組み合わせを表現する染色体となる。従って、２４桁の２進数の変数（染色体）が、化学反応回路１−１乃至１−Ｎの数と同じ数だけ必要とされる。
【００２４】
例えば、図５に示すＭＩＦＳ４１−１乃至４１−８と実行する処理との組み合わせを表現する染色体は、図６に示す染色体８１となる。すなわち、図６に示すように、ＭＩＦＳ４１−１にはプロセスＡが割り当てられ、ＭＩＦＳ４１−２には、プロセスＢが割り当てられているので、０００００１で始まり、以下、ＭＩＦＳ４１−３乃至４１−８に、プロセスＡ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｄ，Ｅが割り当てられているので、００００１００１１１０００１１１００となり、合計２４桁の２進数で表される。
【００２５】
ＧＡにおいては、複数桁の２進数で進化させる対象を表現する。そして、所定の数の染色体からなる染色体の集団を用意して、この集団の各染色体の初期値を乱数で決定する。そして、この集団から染色体を選択して染色体のペアをつくる選択処理を行った後、染色体のペアから次世代の染色体をつくる交叉処理を行う。さらに、所定の低い確率で、突然変異処理を行う。
【００２６】
これらの処理を行った後、各染色体が目標にどの程度近いかを評価し、この度合いを適応度で示す。そして、次回の選択処理において、適応度の高い（目標に近い）染色体ほど多くのペアを組む確率を高くなるようにすることで、染色体の平均の適応度が増加することが期待でき、所望の性質を有する染色体を得ることができる。
【００２７】
この構成例においては、ＭＩＦＳに対する処理の組み合わせを染色体で表現しているので、ＧＡに基づいて染色体を進化させるたびに、化学反応回路１−１乃至１−Ｎは、新たな処理の機能を、それぞれ有することになる。そして、化学反応回路１−１乃至１−Ｎは、生成物を生成し、生成物分析器３がこれらの生成物を分析し、それぞれの生成物に対する適応度を算出する。これらの適応度は演算装置４に供給され、演算装置４は、これらの適応度を、次世代の染色体、すなわち化学反応回路１−１乃至１−Ｎの新たな処理の機能に、生成物が所望の物質に近づくように反映させる。従って、染色体の進化が進むにつれて、化学反応回路１−１乃至１−Ｎは、所望の物質を生成する機能を有するようになっていく。
【００２８】
また、この構成例においては、適応度に比例した確率で染色体の集団の中から染色体を選択して、染色体のペアをつくることで選択処理を行うようになされている。従って、適応度の高い染色体が多くのペアをつくる確率が高くなる。交叉処理においては、選択処理でつくられた染色体のペアに対して、乱数で２つの染色体を交叉する場所を決定し、その桁以降のすべての桁の値を、２個の染色体の間で交換する。例えば、左から５桁目で染色体０００１０１１００と染色体１１１０１０１０１を交叉させる場合、染色体０００１００１０１、および染色体１１１０１１１００の２個の染色体がつくられる。
【００２９】
突然変異処理は、染色体において、乱数で決定した桁の値を変化させるもので、次世代の染色体をつくるときにある一定の低い確率で行われる。突然変異処理する場合は、変化させる桁を乱数を用いて決定し、その桁の数を０から１、あるいは１から０に変化させる。例えば、染色体００１００１に突然変異処理を行う場合に、乱数で左から２桁目が選択されたとすると、この処理によって生成される染色体は、０１１００１となる。
【００３０】
このように、ＧＡでは、選択処理、交叉処理、染色体の評価を反復し、各反復において所定の確率で突然変異を行い、より良い評価を得る染色体を生成していく。
【００３１】
次に図７のフローチャートを参照して、上記実施例の動作について説明する。
【００３２】
最初にステップＳ１において、演算装置４が、化学反応回路１−１乃至１−Ｎの数と同じ数のＧＡの染色体を用意する。これらの染色体の初期値は、各染色体ごとに乱数を用いて決定される。次にステップＳ２において、演算装置４は、各染色体が表すＭＩＦＳに対する処理の組み合わせの信号を、各染色体に対応する化学反応回路１−１乃至１−Ｎに供給する。そして、化学反応回路１−１乃至１−Ｎは、供給された信号に従って、ＭＩＦＳにプロセスを割り当てる。
【００３３】
そして、ステップＳ３に進み、演算装置４が原料入力器２に原料供給の指令を出した後、化学反応回路１−１乃至１−Ｎは、新たに組み合わされたプロセスで、生成物を生成する。そして、ステップＳ４で、生成物分析器３は、この生成物の評価を行い、その結果を演算装置４に供給する。
【００３４】
ステップＳ５において、演算装置４は、生成物分析器３より供給された各化学反応回路１−１乃至１−Ｎの生成物に対する評価から、目的の物質が生成されたか否かを調べ、生成されていない場合は、ステップＳ６に進み、演算装置４は、染色体の集団からペアをつくる選択処理を行い、続いて、ステップＳ７で染色体のペアに対して交叉処理を行う。そして、ステップＳ８では、演算装置４は、所定の低い確率で突然変異処理を行う。
【００３５】
以下、ステップＳ２乃至Ｓ８の処理を、目的の物質が生成されるまで繰り返す。このようにすることで、各世代ごとの各染色体が表現する処理の組み合わせが評価され、各化学反応回路１−１乃至１−Ｎが、所望の物質を生成する機能を有するようになっていく。
【００３６】
【発明の効果】
請求項１に記載の化学反応装置によれば、生成した生成物を分析し、分析した結果に基づいて、生成物を目的の物質に近づけるように、化学的な処理の機能を動的に変更するようにしたので、人的操作をほとんど必要としないで、所望の物質を自動的にかつ、低コストで短期間に生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の化学反応装置の一実施例の構成例を示すブロック図である。
【図２】図１の実施例における演算装置４の構成例を示すブロック図である。
【図３】図１の実施例における化学反応回路１−１乃至１−Ｎの構成例を示すブロック図である。
【図４】図３の構成例におけるマイクロ流体システム（ＭＩＦＳ）の構成例を示す図である。
【図５】図３の構成例におけるＭＩＦＳとプロセスの組み合わせについて説明する図である。
【図６】図５に示されるＭＩＦＳとプロセスの組み合わせを表現する、遺伝的アルゴリズムの染色体を説明する図である。
【図７】本発明の化学反応装置の一実施例の構成例の処理を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１−１乃至１−Ｎ  化学反応回路
２  原料入力器
３  生成物分析器
４  演算装置
２１  ＣＰＵ
２２  ＲＯＭ
２３  ＲＡＭ
２４  インターフェース
４１−１乃至４１−８  マイクロ流体システム（ＭＩＦＳ）
６１  マイクロ流体システム（ＭＩＦＳ）
６１ａ  マイクロ流体システム（ＭＩＦＳ）のマイクロ流体部
６１ｂ  マイクロ流体システム（ＭＩＦＳ）の電子回路部
８１  染色体
【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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