CN101010692A - 与实验装置连动的虚拟实验接口 - Google Patents

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Abstract

一种虚拟实验接口(200)，包括：数据取得部(201)，取得由实验测量装置(101)得到的高分子材料的结构图像数据；数据变换处理部(202)，对所述数据取得部(101)取得的图像数据进行变换，以便模拟装置(102)能够处理；数据输出部(203)，将通过所述数据变换处理部(202)变换的数据向模拟装置输出。通过所述的虚拟实验接口(200)，使实验测量装置和模拟等虚拟实验装置连动。因此，能够进行进一步反映现实的模拟。而且，可以进行实际的实验装置得不到的详细的分析。

Description

与实验装置连动的虚拟实验接口
技术领域
本发明涉及使实验测量装置和虚拟实验装置(模拟装置)连动而得到的虚拟实验接口，以及使用该虚拟实验接口的虚拟实验系统。
背景技术
近年来，利用虚拟实验技术(模拟技术)对高分子材料等的分子集合体结构的特征进行分析的模拟装置被频繁使用。根据这样的模拟装置，不是实际地进行实验而是可以在计算机上通过计算科学来分析物质的结构特性，因此能够进行不必进行实际实验的分析。
例如，在专利文献1中，公开了通过以下步骤来分析分子或分子集合体的结构的方法和装置，所述步骤为：原子选择过程，从分子或分子集合体的原子坐标数据中选择至少3个以上的原子；平面决定过程，由上述所选择的原子决定平面；组决定过程，从由所述平面决定过程决定的多个平面中决定至少有2个平面的组；数值化过程，将构成所述决定后的组的平面之间的几何学上的关系数值化。可以得知，所述的分析方法以及装置，对明确低分子的凝集体结构、高分子的非晶结构等的特征，以及随机性较高、具有复杂结构的分子的微细结构的特征，是有效的。
而且，在专利文献2中，公开了一种高分子材料的形态预测方法及其装置，所述的方法由以下步骤构成，即：设定构成高分子的单体的置入组成以及高分子的制造条件的输入值的步骤；使用蒙特卡罗法，对通过实际合成而得到的分子的1次结构进行于侧的步骤；制成粗视化模型，并且决定在粗视化分子动力学模拟中使用的粗视化参数的步骤；进行粗视化分子动力学模拟的步骤；对在内部具有微相分离结构的材料的形态和力学特性预测的步骤；算出应力-变形曲线及其他力学特性的步骤；算出配向系数以及其他的形状因子。可以得知，利用该高分子材料的形态预测方法及其装置，根据构成由多嵌段共聚体形成的高分子的单体种类的组成以及制造条件，能够预测通过实际合成而得到高分子材料的特性。
另外，为了通过实际的实验来分析物质的结构等，开发了种种实验测量装置(实验装置)。特别地，为了分析物质的细微结构，开发了很多种显微镜。例如，作为能够以纳米级来分析物质的电子显微镜，开发有扫描型电子显微镜(SEM；scanning electron microscope)和透过型电子显微镜(TEM；transmission electron microscope)，所述扫描型电子显微镜，是照射物质的电子线，利用从表面弹出的2次电子来观察表面的立体形态；所述透过型电子显微镜，通过使穿入并穿出物质内部的电子成像来“透过”地观察物质内部的结构。
而且，近年来，通过3维透过型电子显微镜(3DTEM)、3维X线显微镜、共焦点激光显微镜等的开发，不经可以进行2维的分析，也可以进行3维结构的分析。
[专利文献1]
特开平09-223166号公报(公开日：1997年8月26日)
[专利文献2]
特开平2003-105090号公报(公开日：2003年4月9日)
上述模拟装置等进行虚拟实验的虚拟实验装置、和显微镜等的进行实际实验的实验测量装置分别独立地发展。总之，模拟装置能够达到运用计算科学虚拟地进行实际实验得不到的物质的特性以及结构的分析的目的。而实验测量装置能够达到通过可视化物质的微细结构等来进行实际的观察的目的。因此，即使说这2种装置几乎至今还没有在研究领域、技术领域上融合也不过分。
而且，至今所能够开发的模拟装置等的虚拟实验装置需要预先设定、输入多个数据、条件等，对于操作实际的实验测量装置的实验研究者是非常难以操作的。而且由于根据设定条件而得到的模拟结果各不相同，所以一部分实验研究者通过模拟装置得到的结果不能反映实际情况，会被别人提出在可信性上是否有问题的质疑。
但是另一方面，模拟装置等的虚拟实验装置的优点在于，能够进行利用实际的实验测量装置不能进行的分析。
发明内容
因此，本申请的发明人们提出了一种全新的概念，即是否可以通过使具有优良分析能力的虚拟实验装置和实际的实验测量装置连动，以由实际的实验测量装置得到的实验结构为基础来进行虚拟实验，以及是否可以得到更详细以及正确的分析。而且，通过全面考虑而独自提出了至今所未出现的新颖的课题，即为了使所述的新概念具体化，需要开发出一种使实验测量装置和模拟装置等的虚拟装置连动而得到的虚拟实验接口。
鉴于以上课题，本发明的目的在于提供一种使实验测量装置和模拟装置等的虚拟装置连动而得到的虚拟实验接口及其应用。
本发明人们为了解决上述课题而进行了努力的研究，其结果作出了将实验结构数据变换、加工为模拟装置用的虚拟实验接口，以便模拟装置能够利用3维透过型电子显微镜等取得的实验结构(图像数据)。而且，使用由该虚拟实验接口变换、加工而成的数据来进行模拟，由此，能够进行现有的3维透过型电子显微镜等得不到的、更详细的分析(与高分子的1个分布状态有关的信息等)，从而完成本发明。本发明是基于新颖的技术而完成的，包含以下的发明(1)-(14)，即：
(1)一种虚拟实验接口，包括：数据取得装置，取得高分子材料的结构的图像数据；数据变换处理装置，对所述数据取得装置取得的图像数据进行变换，以便进行高分子材料结构分析模拟的虚拟实验装置能够处理；数据输出装置，将通过所述数据变换处理装置变换的数据向虚拟实验装置输出。并且，优选所述数据变换处理装置进行变换以使例如以密度为对象进行高分子材料的结构分析模拟的虚拟实验装置能够进行处理。
(2)根据(1)所述的虚拟实验接口，所述图像数据通过实验测量装置得到。
(3)根据(1)或(2)所述的虚拟实验接口，所述数据变换处理装置进行将所述图像数据变换到体积分率值的处理。
(4)根据(3)所述的虚拟实验接口，所述图像数据为2维图像数据；所述数据变换处理装置包括：图像读入装置，读入在所述2维图像数据中的各像素的像素值；数值变换装置，将由所述图像读入装置读入的像素值变换到体积分率值；形式变换装置，将由所述数值变换装置变换的体积分率值变换为虚拟实验装置能够处理的形式。
(5)根据(4)所述的虚拟实验接口，所述数据变换装置还具有区域指定装置，该区域指定装置从由所述数据取得装置取得的2维图像数据指定进行图像处理的区域；所述图像读入装置读入在通过所述区域指定装置指定的区域中的各像素的像素值。
(6)根据(3)所述的虚拟实验接口，所述图像数据为由多个2维图像数据构成的3维图像数据；所述数据变换处理装置包括：图像读入装置，读入在所述2维图像数据中的各像素的像素值；数值变换装置，将由所述图像读入装置读入的像素值变换到体积分率值；形式变换装置，将由所述数值变换装置变换的体积分率值变换为虚拟实验装置能够处理的形式；3维处理装置，用由所述形式变换装置处理后的多个2维数据，重新构成作为3维数据。
(7)根据(6)所述的虚拟实验接口，所述3维图像数据由多个层状的2维图像数据形成，所述3维处理装置使由所述形式变换装置变换的多个2维数据层状地重叠而构成为3维数据。
(8)根据(6)或(7)所述的虚拟实验接口，所述数据变换装置还具有区域指定装置，该区域指定装置从由所述数据取得装置取得的2维图像数据指定进行图像处理的区域；所述图像读入装置读入在通过所述区域指定装置指定的区域中的各像素的像素值。
(9)根据(4)-(8)任意一项所述的虚拟实验接口，所述数值变换装置进行处理，使在图像的像素值中的上限值以及下限值与在所述虚拟实验装置中设定的体积分率的上限值以及下限值对应。
(10)根据(2)-(9)任意一项所述的虚拟实验接口，所述实验测量装置为显微镜。
(11)根据(6)-(9)任意一项所述的虚拟实验接口，所述实验测量装置为3维透过型电子显微镜或共焦点激光显微镜。
(12)根据(1)-(11)任意一项所述的虚拟实验接口，所述高分子材料为由多嵌段共聚体形成的高分子材料。
(13)根据(12)所述的虚拟实验接口，所述多嵌段共聚体形成网络状的微相分离结构。
(14)一种虚拟实验系统，包括：根据(1)-(13)任意一项所述的虚拟实验接口；取得高分子材料的结构图像数据的实验测量装置；进行高分子材料的结构分析模拟的虚拟实验装置。
并且，所述虚拟实验接口可以通过计算机实现，在该情况下，通过使计算机作为所述的各种装置而动作来用计算机实现虚拟实验接口的虚拟实验接口控制程序，以及存储该控制程序的可被计算机读取的存储媒体，都属于本发明的范围。
根据本发明的虚拟实验接口，能够使实验测量装置和虚拟实验装置连动。因此，在虚拟实验装置中，能够进行基于由实验测量装置得到的实验结构的虚拟实验，所以能够产生良好的效果，与通常的通过实验测量装置得到的结果相比，能够进行正确且详细的分析。例如，基于由显微镜得到的高分子材料的实验结构，产生良好的效果，能够进行材料特性的详细分析。
本发明的进一步的其他目的、特征以及优点，将通过以下所示的描述而得以了解。而且，本发明的优点，还将通过以下的结合有附图的说明得以了解。
附图说明
图1为对本发明的一个实施例的虚拟实验系统的要部结构进行表示的方块图。
图2为模式地对作为本发明的实施例的虚拟实验接口使用而得到的信息处理装置的硬件结构进行表示的视图。
图3为对本发明的一个实施例的虚拟实验接口的功能结构模式地进行表示的视图。
图4为对根据本发明的一个实施例的虚拟实验接口而进行的处理的顺序进行表示的视图。
图5为对本发明的一个实施例的虚拟实验系统的硬件结构模式地进行表示的视图。
图6为对本发明的另一实施例的虚拟实验接口的功能结构模式地进行表示的方块图。
图7为对根据本发明的另一实施例的虚拟实验接口而进行的处理的顺序进行表示的视图。
图8为对本发明的实施例中构成由PS和PI形成的高分子材料的3DTEM的3维图像的多个2维图像数据进行表示的视图。
图9为对将图8所示的实验数据在模拟装置中变换到可利用的形式的处理画面进行显示的视图。
图10为对在本发明的实施例中在模拟装置“OCTA”的画面上基于3DTEM图像的实验结构进行显示的视图。
图11为对在本发明的实施例中利用平均场引擎而得到的模拟结果进行显示的视图。
图12为对在本本发明的实施例中其他模拟结果进行显示的视图。
图13示出了在本发明中通过指定3DTEM图像的一部分区域并使该区域的图像旋转、放大、缩小而在模拟装置上显示A-B嵌段聚合体的结构的视图。
图14为对在本发明的实施例中基于A-B嵌段聚合体的结构而进行连接(Junction)分布分析后的结果进行显示的视图。
图15的(a)为对3DTEM的实验结构进行显示的视图，(b)为对通过MD分析而得到的锁结构进行显示的视图。
图16为对在本发明的实施例中将根据3DTEM的图像和根据分子动力学法的锁的图像组合而成的图像进行显示的视图。
图17为对在本实施例中进行以使用的高分子材料作为弹性体操作时的变形预测模拟(FDM)后的结果的视图。
附图标记的说明：
100、100′    虚拟实验系统
101           实验测量装置
101′         3维图像分析用实验测量装置(实验测量装置)
102、102′    模拟装置(虚拟实验装置)
200、200′    虚拟实验接口
201、201′    数据取得部(数据取得装置)
202、202′    数据变换处理部(数据变换处理部)
203、203′    数据输出部(数据输出装置)
202a、202a′  区域指定部(区域指定装置)
202b、202b′  图像读入部(图像读入装置)
202c、202c′  数值变换部(数值变换装置)
202d、202d′  形式变换部(形式变换装置)
202e′        判断部(判断装置)
202f′        3维处理部(3维处理装置)
具体实施方式
[实施例1]
以下，结合图1-图4对本发明的一个实施例进行说明。
在本发明的实施例中，说明一种虚拟实验系统100，其中通过虚拟实验接口使以2维图像取得高分子材料结构的实验测量装置与模拟装置连动。
图1为对本实施例的虚拟实验系统的硬件结构模式地进行表示的视图。虚拟实验系统100具有实验测量装置101、虚拟实验接口200、模拟装置102。如图1所示，实验测量装置101与虚拟实验接口200连接，并且虚拟实验接口200与模拟装置102连接。
实验测量装置101只要是能够通过实验以图像数据取得高分子材料的结构的实验装置就可以，其具体的结构没有特别的限定。作为所述的实验测量装置，例如可以是显微镜。特别的，可以是能够在纳米级(nm)到微米级(μm)的等级范围内分析高分子材料的结构的电子显微镜(透过型、扫描型等)、X线显微镜等。
并且，本说明书中的“高分子材料”意味着含有高分子的材料，不仅仅是含有多嵌段共聚体等有机高分子的高分子材料，还包括无机物与高分子的混合材料，甚至也包括含有生物体高分子(蛋白质、核酸、脂质)的材料(例如生物体膜等的生物体高分子)。而且，优选高分子材料形成网络状的微相分离结构。并且，作为通过实验测量装置得到的“高分子材料的图像数据”，例如可以使高分子成分的全浓度分布的浓淡显示(例如，白黑模式的情况下为白黑的浓淡显示)。
模拟装置102，可以是使用在计算机上的计算科学能够进行与高分子材料的结构分析有关的模拟(虚拟实验)的虚拟实验装置，其具体的结构等没有特别的限定。在此，“与高分子材料的结构分析有关的模拟”是说与高分子材料的分子特性以及/或材料特性的分析有关的模拟，具体地例如，可以是本发明人团队以前开发的作为模拟器的“OCTA”等。
以下，对该“OCTA”进行简单的说明。
“OCTA”是针对根据经济产业省的提案的通过产学联合开发的软性物质(例如高分子材料)的、综合的模拟器。“OCTA”的功能是通过虚拟实验技术使软性材料的微观分子特性和宏观材料特性结合在一起。软性材料可以由含有数万、数亿个原子的复杂的分子形成。软性材料具有各种等级的中间结构，它们的特征时间从纳秒到年的等级。处理软性物质的理论模型也可以是多样的。为了处理软性材料的中间结构，提出了各种各样的模型，例如分子模型、粗视化分子模型、连续体模型、以及它们的混合模型等。这些模型虽然对同一对象进行处理，但是基于不同的物理概念，语言、数据形式也完全不同。
在此，发明人们为了综合这样多样化的模型，开发了“OCTA”。“OCTA”是由被称为“GOGNAC”、“PASTA”、“SUSHI”、“MUFFIN”4个模拟引擎、和被称为“GOURMET”的模拟平台构成。模拟引擎进行分子动力学、蛇形动力学(reptationdynamics)、界面动力学、凝胶动力学、二相流体动力学等的计算。模拟平台给与对所述模拟引擎共通的接口，提供使不同的引擎协调并解决问题的环境。(关于“OCTA”的详细信息，请参阅“http://octa.jp”)
而且，虚拟实验接口200具有数据取得部201、数据变换处理部202、数据输出部203。数据取得部201作为数据取得装置而起作用，取得通过实验测量装置101得到的实验结构数据。数据变换处理部202作为数据变换处理装置而起作用，对数据取得部201取得的实验结构数据进行变换，以便模拟装置102能够处理。数据输出部203作为数据输出装置而起作用，将通过数据变换处理部202变换的数据向模拟装置102输出。
虚拟实验接口200可以具体地用信息处理装置等的硬件结构展现。
图2模式地对作为本发明的虚拟实验接口使用而得到的信息处理装置的硬件结构进行表示。
信息处理装置500具有：控制该装置全体的中央处理装置(CPU；Central Processing Unit)501、和作为瞬时存储区域的RAM(RandomAccess Memory)505。该CPU 501和RAM 505通过总线507与辅助存储装置509以及ROM(Read-Only Memory)503连接。
作为辅助存储装置109，例如可以使用硬盘、软盘、CD-ROM、DVD(Digital VideoDisk)等。ROM 503是使用集成电路的、专用于读出的非挥发性的存储装置。所述辅助存储装置509以及ROM 503，给与被加载在RAM 505上的、CPU 501等所期望的命令，并存储为了实现与本发明相关的各个功能的计算机程序。
对于显示装置515，可以使用LCD(Liquid Crystal Display)、CRT(Cathode-Ray Tube)等。输入装置513是为了输入文字、数字而被使用的，例如可以使用键盘、鼠标、跟踪球等波因廷装置(Poynting device)。这些构成要件还通过总线507结合在一起。
通过CPU 501执行存储在ROM 503、辅助存储装置109中的计算机程序，实现本发明的各种功能。即，信息处理装置500的特点在于是可以执行进行后述的信息处理所需要的程序的装置，通过使用该装置，可以使实验测量装置101和模拟装置102连动，能够进行基于高分子材料实验结构的形态预测以及特性预测等的模拟。
优选地，在虚拟实验接口200中的数据变换处理部202，以密度为对象进行变换，以便进行高分子材料结构分析的虚拟实验装置能够处理。具体地，例如进行将图像数据(像素数据)变换到体积分率值的处理。因此，使用图3，对在虚拟实验接口200中的数据变换处理部202的功能结构进行说明。
如图3所示，数据变换处理部202具有：区域指定部202a、图像读入部202b、数值变换部202c、形式变换部202d。区域指定部202a作为区域指定装置而起作用，从通过数据取得部201取得的2维图像数据中指定进行图像处理的区域。图像读入部202b作为图像读入装置而起作用，读入在由区域指定部202a指定的区域中的各像素的像素值。数值变换部202c作为数值变换装置而起作用，将由图像读入部202b读入的像素值变换为体积分率值。形式变换部202d作为形式变换装置而起作用，将通过数值变换部202c变换的体积分率值变换(描述)成模拟装置102能够处理的形式。而且，形式变换部202d描述每一个像素的坐标数据(位置信息)。
在图4中，示出了利用虚拟实验接口200进行的处理的顺序。首先，数据取得部201取得从实验测量装置101观察高分子材料的结构而得的2维图像数据(步骤S1)。然后，在数据变换处理部202中的区域指定部202a在所述2维图像数据中指定进行数据变换处理的区域(步骤S2)。然后，图像读入部202b读入在由区域指定部202a指定的区域中的各像素的像素值(步骤S3)。
随后，数值变换部202c将由图像读入部202b读入的像素值变换为体积分率的值(步骤S4)。然后，形式变换部202d将由数值变换部202c变换的体积分率值变换(描述)为模拟装置102能够处理的形式，对数据输出部203输出(步骤S5)。最后，数据输出部203对模拟装置102输出数据(步骤S6)，结束处理。
以下，对由所述的虚拟实验接口200进行的处理进行详细的说明。
<步骤S1>
在步骤S1中，数据取得部201进行处理，取得从实验测量装置101观察高分子材料的结构而得的2维图像数据。数据取得部201取得的图像数据是通过利用实验测量装置101观察高分子材料结构而得到的2维图像数据。例如可以是，利用显微镜(透过型电子显微镜等)而得的高分子材料的观察图像。作为该2维图像数据的图像格式，可以使用现有公知的格式，没有特别的限制。例如，可以合适地使用JPEG、TIFF、GIF、BMP、PNG、PCX等通用的格式。而且，在后述的实施例中，数据取得部201将通过透过型电子显微镜观察聚苯乙烯(PS)和聚异戊二烯(PI)的多嵌段共聚体而得的图像文件作为图像对象进行加载(公开)。
<步骤S2>
在步骤S2中，在数据变换处理部202中的区域指定部202a进行处理，在所述2维图像数据中指定进行数据变换处理的区域。该处理为在数据取得部201从实验测量装置101中取得的图像数据中指定为了进行以下的变换处理的必需的区域的处理。区域的指定方法没有特别的限定，可以合适地利用现有公知的区域指定的方法。例如可以在2维图像数据中通过用户指定相对任意x、y两轴的像素的绝对位置的下限值和上限值来进行区域指定。而且，另外地可以根据规定的规则，例如指定如x轴上的A位置和y轴上的B位置一样的2维图像数据的规定位置等，来指定区域。在后述的实施例中，进行将UDF格式中描述的值读入的操作。在此，(x，y)表示2维图像的绝对位置，称为规定的x轴、y轴的值。
而且，在该步骤S2中进行的区域指定的处理也不是必需要进行的，其也可以省略。在这种情况下，将从实验测量装置101得到的图像数据在该状态下用于步骤S3以后的处理中。此时，在数据变换处理部202中，不需要设置区域指定部202a。但是，由于处理量在所需以上，并且由于处理速度较低的问题等，还是优选进行步骤S2的区域指定处理的方法。
<步骤S3>
在步骤S3中，图像读入部202b进行处理，读入在由区域指定部202a指定的区域中的各像素的像素值。该处理是所谓的被称为阶调化(量子化)处理的处理。所述的处理也可以合适地使用现有公知的方法，具体的方法没有特别的限制。例如，可以通过依次地读入在由所述步骤S2区域指定的x，y的绝对像素位置中的像素的像素值，来进行阶调化。在后述的实施例中，由于图像数据为白黑图像，所以其值进行每个像素读入1个256阶调的数字的处理，在RGB中，读入3个256阶调的值。而且，并不仅限于256阶调，更高的阶调也可以。
<步骤S4>
在步骤S4中，数值变换部202c进行处理，将由图像读入部202b读入的像素值变换为体积分率的值。“体积分率的值”为某个特定的空间内的各种成分所占有的体积的比例值。换句话说，例如在几个成分中的1个A成分的体积分率如下述数学式(1)表示。
ΦA＝(一定体积V内的A成分的占有体积)/(一定体积V)...(1)
例如，在有A、B2种成分时，各自的体积分率为ΦA、ΦB，则下述数学式(2)成立。
ΦA+ΦB＝1...(2)
这样将像素的像素值变换为体积分率值的处理是为了能够状态不变地将数据传输到模拟装置等的虚拟实验装置。没有这个目的，256阶调的值也可以。
作为将数据变换为该体积分率值的变换处理，例如，可以进行如下。为了容易理解，通过后述的实施例进行具体的说明。
通过后述的实施例进行处理的图像数据使用白黑模式的256阶调的图像。在通过透过型电子显微镜对由聚苯乙烯(PS)和聚异戊二烯(PI)形成的多嵌段共聚体进行观察而得的图像中，如果放大观察，则存在白区域和黑区域。而且，在该图像中，白区域相当于PS浓度(体积分率)高的区域，黑区域相当于PI浓度(体积分率)高的区域。
但是，各自的浓度为图像上的浓度，因此利用测定条件变化得到。在此，以下在模拟装置102中进行的虚拟实验(模拟)中，能够根据聚合物的种类而定下该PS和PI的嵌段共聚体相分离时的PS、PI各自的最大(或最小)的体积分率。例如，在这次的情况下，在PS、PI各自相中的最大体积分率分别为0.8。
因此，数值变换部202c根据在该模拟装置102中设定的各聚合物的最大(或最小)体积分率，进行将图像的像素值变换为体积分率值的处理。例如，在图像上的256阶调值在100-240间分布的情况下，分别利用线形关系，使像素值的下限值100与体积分率值的下限值0.2对应，并使像素值的上限值240与体积分率值的上限值0.8对应，由此来进行变换。以具体的数学式表达，即在某个位置的数据为256阶调且为x时，体积分率值如下述数学式(3)所示。
体积分率值＝(x-100)/(240-100)×(0.8-0.2)+0.2...(3)
因此，优选的，数值变换部202c进行处理，使在图像的像素值中的上限值以及下限值与在模拟装置中设定的体积分率的上限值以及下限值对应。此时，体积分率的上限值和下限值由实验中使用的材料的容积的模拟决定。将该体积分率的上限值和下限值设定为图像的上限像素值和下限像素值，其间的像素值以线形变换，成为其间的体积分率。
<步骤S5>
在步骤S5中，形式变换部202d将由数值变换部202c变换的体积分率值变换(描述)为模拟装置102能够处理的形式，对数据输出部203输出。在此，“变换为模拟装置(虚拟实验装置)能够处理的形式”意味着：作为在模拟装置中能够进行处理的数据形式，存在着各种各样的形式，而形式变换部202d将数据的形式变换为这样的任意的模拟装置可以处理的任意形式。
例如，该步骤S5中的处理是一种将由数值变换部202c变换到体积分率值的数据描述成将与实验测量装置101连动的模拟装置102可以处理的形式的处理。而且，此时，同时也描述与各像素对应的坐标数据(位置信息)。即，描述x、y的值。
此处的x、y的值与所述步骤S2中的x、y同义，为绝对像素位置的值。并且，在后述的实施例中，作为模拟装置使用“OCTA”，因为“OCTA”能够对UDF文件形式的数据进行处理，所以形式变换部202d进行将由数值变换部202c变换的数据描述成UDF文件形式的处理。
<步骤S6>
在步骤S6中，数据输出部203进行处理，对模拟装置102输出数据。由于在步骤S5中已经描述成了模拟装置102可以利用的形式，所以数据输出部203只需将数据向模拟装置102输出即可。
如上所述，通过使用本实施例形态的虚拟实验接口，可以简便且确实地使实验测量装置和模拟装置连动。因此，可以使用在实验测量装置中得到的实验结构(2维图像数据)，进行虚拟实验，能够进行进一步反应现实的模拟。进而，可以进行实际的实验装置得不到的详细的分析。
[实施例2]
以下，根据图5-图7对本发明的另一实施例进行说明。并且，在本实施例中，对具有与在所述实施例1中的构成要件相同的功能的构成要件，使用同一符号，并省略对其说明。在本实施例中，将说明与所述实施例1不同的地方。
在本发明的实施例中，说明一种虚拟实验系统100′，其中使用虚拟实验接口，使能够将高分子材料结构作为3维图像数据来观察的实验测量装置与模拟装置连动。
图5为对本实施例的虚拟实验系统的硬件结构模式地进行表示的视图。虚拟实验系统100′具有3维分析用实验测量装置101′、虚拟实验接口200′、模拟装置102′。
在本实施例中，3维分析用实验测量装置101′优选能够以3维分析高分子材料结构的3维透过型电子显微镜、3维X线显微镜、以及共焦点激光显微镜等。并且，作为3维分析用实验测量装置101′，只要是能够以3维分析高分子材料结构的实验测量装置就可以，在此并不限于所例举的显微镜。
举3维透过型电子显微镜为例，并对其基本原理简单地说明。首先，使细缩到次纳米(一千万分之一毫米)单位的电子线加速，在试料表面上扫描并且照射。因为电子线在于构成试料的原子相互作用后突出，所以用检测器测定该电子线的强度，使与在试料表面上的扫描位置同步并在监视器中显示，则得到2维的显微镜图像。至此与通常的TEM相同。其后，将试料略微倾斜并重复上述操作，再将得到的多个2维图像在计算机中进行处理，由此做成立体图像，即3维图像。而且，这样做成的3维图像是通过层状集合多个2维图像而构成的。
总之，由于3维图像数据是由多个2维图像数据重新构成、获得的，所以可以称为由多个2维图像数据构成(例如，通过层状集合多个2维图像而构成)。根据上述问题，对本实施例的虚拟实验接口200′进行说明。
以下，对可以对有上述多个2维图像数据构成的3维图像数据进行处理的、本实施例的虚拟实验接口200′进行说明。如图5所示，虚拟实验接口200′具有数据取得部201′、数据变换处理部202′、数据输出部203′。
首先，数据取得部201′从3维分析用实验测量装置101′取得构成3维图像数据的多个2维图像数据。然后，由数据取得部201′取得的多个2维图像数据被输送到数据变换处理部202′。利用图6对数据变换处理部202′进行说明。
图6为对在虚拟实验接口200′中的数据变换处理部202′的功能结构模式地进行表示的方块图。如该图所示，数据变换处理部202′具有：区域指定部202a′、图像读入部202b′、数值变换部202c′、形式变换部202d′、判断部202e′、3维处理部202f′。
区域指定部202a′作为区域指定装置而起作用，在数据取得部201′所取得的多个2维图像数据中，对任意的2维图像数据指定进行图像处理的区域。图像读入部202b′作为图像读入装置而起作用，读入由区域指定部202a′指定的区域中的各像素的像素值。数值变换部202c′作为数值变换装置而起作用，将由图像读入部202b′读入的像素值变换成体积分率值。形式变换部202d′作为形式变换装置而起作用，将由数值变换部202c′变换的体积分率值变换(描述)为模拟装置102′能够处理的形式。而且，形式变换部202d′还描述每个像素的坐标数据(位置信息)。
判断部202e′作为判断装置而起作用，判断是否对构成所述3维图像数据的全部2维图像数据完成了根据区域指定部202a′、图像读入部202b′、数值变换部202c′、形式变换部202d′的各个处理，在判断为没有对全部的2维图像数据完成处理时，对未完成处理的2维图像数据进行控制，进行根据所述的图像读入装置、数值变换装置、形式变换装置的各个处理，在判断为已对全部的2维图像数据完成了处理时，将处理完成后的数据向3维处理部202f′输出。3维处理部202f′作为3维处理装置起作用，在判断为构成所述的3维图像的全部2维图像数据的变换处理已完成时，使用以模拟装置102′通过形式变换部202d′而能够进行处理的形式所描述的多个2维数据，重新构成3维数据。
数据输出部203′将所述3维处理部202f′重新构成的3维数据向模拟装置102′输出。
模拟装置102′基于3维数据，对高分子材料进行模拟。例如，可以合适地使用所述实施例1中说明的“OCTA”。
图7为对根据虚拟实验接口200′进行的处理的顺序进行表示的视图。首先，取得构成3维图像数据的多个2维图像数据(步骤S11)。然后，在数据变换处理部202′中的区域指定部202a′，在所述多个2维图像数据中任意的2维图像数据中，指定进行数据变换处理的区域(步骤S12)。然后，图像读入部202b′读入在由区域指定部202a′指定的区域中的各像素的像素值(步骤S13)。
随后，数值变换部202c′将由图像读入部202b′读入的像素值变换为体积分率的值(步骤S14)。然后，形式变换部202d′将由数值变换部202c′变换的体积分率值变换(描述)为模拟装置102′能够处理的形式(步骤S15)。进行了2维图像数据的总量(个数)次所述的步骤S12-S15的处理，对全部的2维图像数据进行变换处理。
判断部202f′判断是否对构成所述3维图像数据的多个2维图像数据的全部完成了步骤S12-S15的变换处理(步骤S16)。然后，3维处理部202f′使用实施过步骤S12-S15的变换处理后的全部2维数据，构成3维数据，并向数据输出部203′输送(步骤S17)。数据输出部203′将由3维处理部202f′构成的3维数据向模拟装置102′输出，然后结束处理(步骤S18)。
然后，对利用所述虚拟实验接口200′执行的处理进行详细的说明。
<步骤S11>
在步骤S11中，数据取得部201′进行处理，取得从3维分析用实验测量装置101′观察高分子材料的结构而得的3维图像数据。如上所述，所述的3维图像数据，是使用多个高分子材料结构的2维图像数据，在计算机等计算装置上重新构成而获得的。因此，可以获取多个2维图像数据的集合。
从而，数据取得部201′将高分子材料结构的3维图像数据作为2维图像数据的集合而取得，即取得了多个2维图像数据。该处理仅仅是增加了取得的2维图像数据的量(个数)，可以与取得所述实施例1中说明的2维图像数据的情况同样地进行。
<步骤S12>
在步骤S12中，区域指定部202a′进行处理，在所述多个2维图像数据中，在任意的2维图像数据中，指定进行数据变换处理的区域。在此，区域指定部202a′在多个2维图像数据中，对任意图像数据进行处理，可以设定特定的规则，例如，按照在3维图像数据中的z轴方向的坐标位置的顺序，来处理2维图像数据。并且，具体的处理，可以与所述的实施例1的处理同样地进行。
<步骤S13、S14>
步骤S13、S14由于可以与所述的实施例1的处理同样地进行，所以省略其详细的说明。
<步骤S15>
在步骤S15中，形式变换部202d′进行处理，将由数值变换部202c′变换的体积分率值变换(描述)为模拟装置102′能够处理的形式。而且，此时，同时还描述了与各个像素对应的坐标数据(位置信息)。特别地，与实施例1的处理不同，不仅仅是x、y的值，还需要描述z轴的坐标。
例如，在通过将多个2维图像数据层状地重叠而得到所述3维图像数据的情况下，在该步骤S15中，将数据从像素数据变换到体积分率值。而且，其体积分率值作为在3位模拟箱中的任意点的值而保存为数据。所述时刻的在3维模拟箱中的绝对位置为x、y、z。作为其绝对位置，x、y不变地对应所述2维图像的x、y，z作为形成层状的方向而对应。从而，关于x、y，绝对像素位置的值、z变为第z个×(图像间距)。该“图像间距”也可以表现为在通过将多个2维图像数据层状地重叠而得到所述3维图像数据时的层间距离。
在后述的实施例中，使用“OCTA”作为模拟装置，因为“OCTA”可以处理UDF文件形式的数据，所以形式变换部202d′进行处理，将由数值变换部202c′变换的数据描述为UDF文件形式。
而且，根据2维图像数据的量(个数)，反复多次地进行该步骤S12-S15的处理，对全部的2维图像数据进行变换处理。
<步骤S16>
在步骤S16中，判断部202f′进行处理，判断是否对构成所述3维图像数据的多个2维图像数据的全部完成了步骤S2-S5的变换处理。在判断部202f′判断为没有对全部的2维图像数据完成变换处理时，判断部202f′发出命令，对未完成处理的2维图像数据进行步骤S2-S5的变换处理。另外，在判断部202f′判断为已对全部的2维图像数据完成了变换处理时，判断部202f′对3维处理部202f′发出指使，用实施过步骤S2-S5的变换处理后的全部2维图像数据构成3维数据。
而且，即使没有完成构成3维图像数据的全部2维图像数据的处理，即使在完成了一定量的2维图像数据的处理时，也可以通过3维处理部202f′进行3维化处理。但是，为了根据更正确的实验结构来进行模拟，优选使构成3维图像数据的全部2维图像数据完成处理，使用处理过的全部2维数据进行3维化处理。
<步骤S17>
在步骤S17中，3维处理部202f′进行处理，使用实施过步骤S12-S15的变换处理的全部2维数据(对构成所述3维图像数据的多个2维图像数据的全部进行了步骤S12-S15的变换处理后的2维数据)，构成3维数据，向数据输出部203′输出。
例如，将图像从黑-白间的256阶调的数值变换为体积分率的数字，将该数字作为被称为UDF的在模拟计算中使用的输入输出文件中的数据而输出。
<步骤S18>
在步骤S18中，数据输出部203′将通过3维处理部202f′构成3维数据向模拟装置102′输出，然后结束处理。因为本实施例的模拟装置102′是能够基于3维数据进行模拟的装置，所以数据输出部203′可以向模拟装置102′只输出3维数据。
如上所述，通过使用本实施例的虚拟实验接口，能够简便且确实地使实验测量装置和模拟装置连动。因此，利用在3维分析用实验测量装置中得到的实验结构(3维图像数据)，能够进行虚拟实验，能够进行进一步反映现实的模拟。而且，可以进行实际的实验装置得不到的详细的分析。
现今，为了开发作为新材料而被关注的“纳米材料”，最重要的是以纳米级观察、测量其3维立体结构。为此，渐渐推进了3维电子显微镜的开发。但是，3维电子显微镜的分辨率有限度，例如，在多嵌段聚合体的3维电子显微镜图像中，只能分析到浓度分布。然而，通过使用本发明的虚拟实验接口而使3维电子显微镜和模拟装置连动，可以得到例如与高分子锁的1个分布状态有关的信息等的更详细的分析结果。从而期待能够通过正确把握纳米结构来推进新纳米材料的开发。通过利用本发明，可以向更多的人传递至今所没有的新的信息。而且，纳米材料的应用领域遍及电子学·生物·光电学·材料等广泛的范围，因此，也能够广泛地适用于生物方面、医学方面。
并且，在本说明书中，虚拟实验接口分别作为实验测量装置或模拟装置的装置而进行说明，优选虚拟实验接口与实验测量装置或模拟装置一体地形成。总之，本发明的虚拟实验接口能够通过计算机等的计算装置而具体化，因此对于技术人员能够容易地使虚拟实验接口与实验测量装置或模拟装置一体化。
最后，虚拟实验接口200或200′的各嵌段、特别是数据变换处理部202或202′由硬件逻辑电路构成，然后，使用CPU利用软件来实现。
即，虚拟实验接口200或200′具有：执行实现各功能的控制程序命令的CPU(central processing unit)、存储所述程序的ROM(readonly memory)、展开所述程序的RAM(random access memory)、存储所述程序以及各种数据的存储器等的存储装置(存储媒体)等。而且，本发明的目的可以通过以下过程实现，即，所述存储媒体可利用计算机读取地存储虚拟实验接口200或200′的作为实现所述功能的软件的控制程序的程序代码(执行形式程序、中间代码程序、源程序)，将所述存储媒体供给到所述虚拟实验接口200或200′，其计算机(或者为CPU、MPU)读取并执行存储媒体中存储的程序代码。
作为所述存储媒体，例如，可以使用磁带或盒式磁带灯的带、软(floppy注册商标)盘/硬盘等的磁盘或包括CD-ROM/MO/MD/DVD/CD-R等的光盘在内的盘碟、或掩模型ROM/EPROM/EEPROM/快闪ROM等的半导体存储器等。
而且，可以将虚拟实验接口200或200′与通信网络连接，通过通信网络供给所述程序代码。作为该通信网络没有特别的限制，例如，可以使用因特网、内联网、外联网、LAN、ISDN、VAN、CATV通信网、虚拟专用网(Virtual private network)、电话线路网、移动通信网、卫星通信网等。而且，作为构成通信网络的传送媒体，没有特别的限制，例如，可以使用IEEE1394、USB、电力线输送、电缆TV线路、电话线、ADSL线路灯的有线，以及IrDA或遥控用的红外线、蓝牙(Bluetooth注册商标)、802.11无线、HDR、移动电话网、卫星线路、地上波数字网等的无线。并且，对于本发明，即使所述程序代码为以电子传送具体化的、置入在载波中的计算机数字信号的形态，也能够实现。
以下展示实施例，对本发明的实施例进行更详细的说明。当然，本发明并不限定于以下的实施例，对于细节部分可以有各种各样的形式。而且，本发明并不限于上述实施例，在权利要求书所示的范围内可进行各种变化。即使是合适地结合了各种公开的技术装置而得到的实施例，也是涵盖在本发明的技术范围内。
[实施例]
以下，作为具体化本发明的实施例，用3维电子显微镜(3维透过型电子显微镜、3DTEM)观察由聚苯乙烯(PS)和聚异戊二烯(PI)形成的高分子材料(PS-PI block)，通过虚拟实验接口，把观察后的实验结构输入到模拟装置“OCTA”中，并示出基于实验结构进行模拟后的结果。并且，所述PS-PI block形成网络状的微相分离结构。
图8为构成由PS和PI形成的高分子材料的3DTEM的3维图像的多个2维图像数据。图8所示的图像数据为由3DTEM做成的图像数据，由多个2维图像层状集合而成，为256像素×256像素、1.8μm2的图像数据(TIFF形式)。如该图所示，根据3DTEM的观察图像示出了变形的薄片状(ラメラ，Lamellar)结构，具有一定能够程度的分辨率，能够浓淡显示所谓PS、PI的高分子成分的全浓度分布。而且，白区域为PS浓度高的部分，黑区域为PI浓度高的部分。
图9为对将上述实验数据在模拟装置中变换到可利用的形式的处理画面进行显示的视图。总之，通过虚拟实验接口对上述2维图像数据进行变换处理，变换处理到在模拟装置“OCTA”中可以处理的形式。具体的为进行以下的处理(i)-(vi)。
(i)将图像文件作为图像对象进行加载(公开)。
(ii)指定相对x、y两轴的像素的绝对位置的下限值和上限值。现状为将在UDF文件中描述的值读入的操作。
(iii)顺次读入在通过(ii)的处理指定的x、y的绝对像素位置中的图像的像素值。在现状中，由于是白黑图像，所以其值变为读入1个256阶调的数字。
(iv)将读入的值变换成0.0-1.0的体积分率值。并且，体积分率的上限、下限的值由在实验中进行的材料的容积的模拟决定。将该体积分率的上限、下限值设置成图像的上限、下限的像素值，这之间的像素值如其间的体积分率一样，以线形变换。
(v)将变换为体积分率的值描述成UDF。并且，此时，描述x、V、z的值。在此的x、y值意味着所述的绝对像素位置的值，z值意味着在(i)中的第z个×(图像间距)。
(vi)反复进行图像个数次以上的(i)-(v)的处理，作为3维数据处理。
图10为对进行上述变换处理并在模拟装置“OCTA”的画面上基于3DTEM图像的实验结构进行显示的视图。该视图为将32像素×32像素×32像素的数据作为323的数据进行处理的、230nm3的图像。
然后，用模拟装置“OCTA”来进行基于所述实验结构的各种模拟。首先，示出对向平均场引擎(在“OCTA”中的名称为“SUSHI”)的转换和执行。具体的，如以下的(i)-(vi)进行。
(i)做成平均场(SUSHI)引擎的UDF。
(ii)设置作为初期结构的预先的实验数据UDF。
(iii)使总密度(Total density)、PS-PI各嵌段的密度合适。
(iv)决定锁长、x(现在是合适的)
(v)使平均场引擎run、时间发展叠代(iteration)1次。
(vi)得到密度Φ(r，n)。
在图11中示出了平均场引擎的结果。能够确认该结果和3DTEM图像的结果相同。并且，系统设定为323、A10-B10、xAB＝0.6、ΦA＝0.5。
然后，进行Φ(r，n)的结果分析。图12示出其结果。在图12中，示出了A成分的全密度分布、A成分末端的密度分布、A成分的连续部的密度分布。
随后，进行在根据实验的薄片状结构的分析模拟。具体地，如图13所示，指定3DTEM的图像一部分区域，从该图起经过旋转、扩大、缩小，在模拟装置上显示A-B嵌段聚合体(A-B block polymer)的结构。
而且，在图14中，基于所述的A-B嵌段聚合体的结构，示出进行连接(Junction)分布分析后的结果。并且，作为模拟引擎，使用“OCTA”的“COGNAC”。如该图所示，能够进行该分析的结果、规则的(ordered)薄片状结构的提取和分析。具体地，能够显示A的分布、A-B界面、A结合部的分布。
然后，进行从平均场向分子动力学法(MD)的跃升(zooming)。具体地，如以下(i)-(iii)进行。
(i)使系统的大小适合于平均场的计算，决定锁的个数。(通过大致地决定T，来决定密度，也决定个数。)
(ii)引擎run
·使用密度Φ(r，n)生成锁。(Density biased Monte Carlo法)
·使略松驰(relaxation)
(iii)多次反复(ii)，并进行验证。
并且，系统设置为323、A10-B10，beads-spring锁×1250个、potential：LJ。
图15示出了其结果。图15的(a)为使出了3DTEM的实验结构的视图，(b)为示出了通过MD分析而得到的锁的结构的视图。如该图所示，在3DTEM中，是能够对高分子成分的全浓度分布进行浓淡显示的程度，使用本发明的虚拟实验接口，通过基于实验结构进行模拟，能够提取与高分子的1个分布状态有关的信息。
而且，在图16中，示出了跟据3DTEM的图像和根据分子动力学法的锁的图像组合而成的图像。如图所示，使用本发明的虚拟实验接口，通过基于实验结构进行模拟，能够求出高分子锁的末端分布等。
而且，在图17中示出了在本实施例中进行了以使用的高分子材料作为弹性体操作时的变形预测模拟(FDM)后的结果。并且，作为模拟引擎，使用“OCTA”的“MUFFIN”。如该图所示，在进行混合(blend)型结构的分析时，基于由3DTEM得到的实验结构，能够预测施加外力(滑动、伸张)等时的内部结构的变化。
从上述实施例可以看出，通过使用本发明的虚拟实验接口，能够将3维实验结构在模拟装置(“OCTA”)上作为数字数据进行处理。而且，将模拟作为实验分析工具利用，能够进行以3维实验结构为基础的、相分离结构中的末端分布等的分析和锁结构生成物等的分析。进而，能够以3维实验结构为基础，通过模拟预测出在施加外力等时的变形结构。
并且，在为了实施本发明的最佳形态中未说明的具体的实施形态或实施例，归根结底也是了解了本发明的技术内容后而作出的，本发明不应被狭义地仅仅限定于这样的具体实施例中，在本发明的技术思想以及权利要求书的范围内，可以有各种形式并且可以进行变形。
产业上的利用可能性
如上所述，本发明可以利用在纳米技术中，在纳米级下对物质的结构进行超精密控制，探索全新的物质特性、功能的发现，并结合实用化，其应用领域遍及电子学·生物·光电学·材料等广泛的范围。

Claims (14)

1.一种虚拟实验接口，其特征在于，包括：
数据取得装置，取得高分子材料的结构的图像数据；
数据变换处理装置，对所述数据取得装置取得的图像数据进行变换，以便进行高分子材料结构分析模拟的虚拟实验装置能够处理；
数据输出装置，将通过所述数据变换处理装置变换的数据向虚拟实验装置输出。
2.根据权利要求1所述的虚拟实验接口，其特征在于，所述图像数据通过实验测量装置得到。
3.根据权利要求1或2所述的虚拟实验接口，其特征在于，所述数据变换处理装置进行将所述图像数据变换到体积分率值的处理。
4.根据权利要求3所述的虚拟实验接口，其特征在于，
所述图像数据为2维图像数据，
所述数据变换处理装置包括：
图像读入装置，读入在所述2维图像数据中的各像素的像素值；
数值变换装置，将由所述图像读入装置读入的像素值变换到体积分率值；
形式变换装置，将由所述数值变换装置变换的体积分率值变换为虚拟实验装置能够处理的形式。
5.根据权利要求4所述的虚拟实验接口，其特征在于，
所述数据变换装置还具有区域指定装置，该区域指定装置从由所述数据取得装置取得的2维图像数据指定进行图像处理的区域；
所述图像读入装置读入在通过所述区域指定装置指定的区域中的各像素的像素值。
6.根据权利要求3所述的虚拟实验接口，其特征在于，
所述图像数据为由多个2维图像数据构成的3维图像数据，
所述数据变换处理装置包括：
图像读入装置，读入在所述2维图像数据中的各像素的像素值；
数值变换装置，将由所述图像读入装置读入的像素值变换到体积分率值；
形式变换装置，将由所述数值变换装置变换的体积分率值变换为虚拟实验装置能够处理的形式；
3维处理装置，用由所述形式变换装置处理后的多个2维数据，重新构成作为3维数据。
7.根据权利要求6所述的虚拟实验接口，其特征在于，
所述3维图像数据由多个层状的2维图像数据形成，
所述3维处理装置使由所述形式变换装置变换的多个2维数据层状地重叠而构成为3维数据。
8.根据权利要求6或7所述的虚拟实验接口，其特征在于，
所述数据变换装置还具有区域指定装置，该区域指定装置从由所述数据取得装置取得的2维图像数据指定进行图像处理的区域；
所述图像读入装置读入在通过所述区域指定装置指定的区域中的各像素的像素值。
9.根据权利要求4-8任意一项所述的虚拟实验接口，其特征在于，所述数值变换装置进行处理，使在图像的像素值中的上限值以及下限值与在所述虚拟实验装置中设定的体积分率的上限值以及下限值对应。
10.根据权利要求2-9任意一项所述的虚拟实验接口，其特征在于，所述实验测量装置为显微镜。
11.根据权利要求6-8任意一项所述的虚拟实验接口，其特征在于，所述实验测量装置为3维透过型电子显微镜或共焦点激光显微镜。
12.根据权利要求1-11任意一项所述的虚拟实验接口，其特征在于，所述高分子材料为由多嵌段共聚体形成的高分子材料。
13.根据权利要求12所述的虚拟实验接口，其特征在于，所述多嵌段共聚体形成网络状的微相分离结构。
14.一种虚拟实验系统，其特征在于，包括：
根据权利要求1-13任意一项所述的虚拟实验接口；
取得高分子材料的结构图像数据的实验测量装置；
进行高分子材料的结构分析模拟的虚拟实验装置。
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