JP2006515695A

JP2006515695A - 物理的な分子モデルをコンピュータによる視角化とシミュレ−ションモデルを統合する装置と方法

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Publication number: JP2006515695A
Application number: JP2005508646A
Authority: JP
Inventors: シャーマン，ブライアン・エイチ; グリーン，デイヴィッド・エフ; ルーピン，カール・エイチ
Original assignee: モリーシム，インコーポレイテッド
Priority date: 2002-12-31
Filing date: 2003-12-31
Publication date: 2006-06-01
Also published as: EP1581918A2; AU2003303504A8; US20090271159A1; AU2003303504A1; WO2004061728A2; US7558707B2; WO2004061728A3; US20050004764A1

Abstract

ハイブリッドのモデル・システムを作るための物理的モデルとバーチャル・モデルを結合することによって、モデル・システムが機能強化される。物理的モデルの操作により、バーチャル・モデルに提供されるリアルタイムで更新された物理的特徴が生み出される。同様に、バーチャル・モデル特徴のユーザー操作が作動装置やコントロール装置を利用して物理的モデルに提供され、実行される。また、複数のユーザーが、例えば原子あるいは分子の物理的モデルの異なった部分を構築し、操作することが同時にでき、そしてそれらの操作の結果をコンピュータ分析にかけるためにコンピュータ・システムに提供することができる。このような分析結果は電子的に、例えば無線で、物理的モデルに反映されることができる。

Description

本発明は、一般的に物理的分子モデル化とシミュレーション及び、更に詳しくは、分子の視覚化とシミュレーションのためのコンピュータ・システムを物理的分子モデルとインターフェースするための装置と方法に関連している。

分子モデルは一般的に２つの分野から構成される。すなわち、物理的または実体的分子モデル化のためのツール・キットおよびその結果得られる物理的または実体的なモデルと、コンピュータ・ベースの分子の視覚化とシミュレーションのためのソフトウェア(例えば、バーチャル・モデル)である。

物理的分子モデル化のためのツール・キットは、ある分子の原子構造といったものの物理的な表現を構築できるようにする。このような分子モデル化のためのツール・キットは、通常個々の原子を表わす球形のハードウェア要素と、原子を結ぶ結合エレメントを表す棒状のハードウェア要素とで構成されている。分子モデル化ツール・キットのユーザーは、原子構造とその原子の距離など、特定の分子構造の静的状態を表現する物理的モデルを組み立てることができる。

これらの物理的分子モデル化のためのツール・キットは、静的で、相互作用を考慮に入れていない。得られる三次元（３Ｄ）モデルは、システムのエネルギー状態などの肉眼には見えないシステムの特性を表すことができない。更に、このようなモデルは、変化する負荷、ストレス、または分子または原子の相互作用などといった環境が変化する場合における分子システムの動的な特性を表すことができない。環境の変化でモデル化が難しいものとしては、トラス、橋、又は建造物にかかる風力の変化などのモデル化がある。最後に、分子モデル化ツール・キットと物理的モデルによっては、コンピュータ画面上において対象のバーチャル・モデルをコンピュータにより処理して表現することはできない。

バーチャルのソフトウェア・ツールは、ユーザーがバーチャル・モデル、例えばコンピュータ上で分子を作成し、原子構造を視覚化し、分子システムの特徴をシミュレーションすることを可能にする。これらの商用利用が可能なソフトウェア・ツールには、Accelrys ( HYPERLINK "http://www.accelrys.com" www.accelrys.com)社のInsightIIや、Virtual Molecular Dynamics（シカゴ大学)が含まれている。そのようなソフトウェア・ツールは分子構造を表し、分子エネルギー論を分析し、そして分子内の変化または、他の分子との相互作用をシミュレーションすることができるものもある。あるソフトウェア・ツールは、半実験的な(semi-empirical)方法か、または実際の非経験的(ab initio)方法を使用することによって、量子力学的な効果を取り入れている。

最新の視覚化およびシミュレーション・ソフトウェアは、分子構造または他の構造をシミュレーションするにあたり、十分に強力であるが、コンピュータ・スクリーン上のバーチャル・モデルを操作することによってジオメトリーの選択を得ることは困難である。バーチャル・モデルの作成またはシミュレーションのためのモデルを変更する為のユーザー入力インターフェースは、一般的にキーボードやマウス、または類似の人とコンピュータ・インターフェースに限られる。ユーザーは、二面角度の回転または新しい原子の付加のような一度にひとつのパラメータしか操作することが出来ない。このプロセスは直感的ではなく時間もかかる。

むしろ、物理的な３Ｄモデルを、手によってジオメトリーの選択を合わせることの方が、直観的でより速く操作できる。しかしながら、これらの物理的モデルは、静的で仕上がった構造の複雑な特徴をシミュレーションするのは不可能である。ジオメトリーの選択が得られる後でさえも、コンピュータや適切な視覚化およびシミュレーション・ソフトウェアなしでは限られた有効な情報だけしか得ることが出来ない。

そこで、物理的モデルとバーチャル・モデル・システムの両方の利点を含んだモデル・システムが必要とされる。このようなハイブリッド・モデルのシステムは、物理的モデルの使い易い特性と手早さを備えるべきであり、コンピュータ・ベースのバーチャル・モデル・プログラムで利用できる高度な計算と視覚化のためのツールも含むべきである。

本発明は、上に記述した物理的モデルとバーチャル・モデルを相互に統合することによって、これらの持つ限界を克服させようとするものである。本発明の一態様によれば、コンピュータ・ベースの視覚化とシミュレーション・ソフトウェア・ツールとコミュニケートする物理的モデルと、物理的モデルに情報を送るバーチャル・モデルとを含む。

本発明の主要な態様の一つは、複数の構造的要素を組み立てるのに使用するノード・エレメントを含み、このノード・エレメントは、本体とこの本体に関連して配列された接続ポート(connection port)を含む。接続ポートの少なくとも一つは、隣接した構造的要素に接続することが出来る。ノード・エレメントは、また、本体中にコンピュータ・ユニットを含み、このコンピュータ・ユニットは接続ポートからノード・エレメントの物理的特徴を情報として受け取る。ノード・エレメントは、物理的特徴の情報といったようなノード・エレメントの情報を流すことができるコミュニケーション装置をも含んでいる。その情報はノード・エレメントのトポロジー（topology）を決定するのに使うことができる。物理的特徴の情報は、例えば接続ポート上またはその付近といったノード・エレメント内に配置されたセンサーから得ることが出来る。センサーからの物理的特徴の情報は、コンピュータ・ユニットによって受信することが可能である。

異なったタイプのセンサーをノード・エレメントと共に使用することができる。それらのセンサーは、結合エレメント(bond element)に対するノード・エレメントの少なくとも一つの動きと、接続ポートに対する回転の向きと、構造的要素の一部に対するノード・エレメントの動きと、外にある空間的な向きの基準点に対するノード・エレメントの位置や動きと、ノード・エレメントにかかる外圧に関する情報を探知する。センサーには、回転センサー、加速度計、コンパス、傾斜計、磁力計、そしてジャイロスコープが含まれる。あるセンサーは、ノード・エレメントの物理的特徴の変化に関連する情報を記憶したり、供給したりする。

ある実施態様では、結合エレメントを含む隣接した構造的要素をも含む。また、接続ポートなど物理的な特徴を操作する制御装置も含めることができる。この制御装置は、アクチュエータ、振動ユニット、そして/または、発光ダイオードを含むことがある。

ノード・エレメントは、コンピュータ・ユニットから構造的要素の一つへとデータを転送する通信装置を含むこともできる。第１のノード・エレメントの通信装置もまた、第２のノード・エレメントの中に配置された第２のコンピュータ・ユニットから、構造的要素の一つ（例えば、第１のノード・エレメントに隣接した構造的要素）に情報を転送することも可能である。ノード・エレメントの物理的特徴の情報のような、コンピュータ・ユニットからのデータを、ノード・エレメント外の、又は、複数の構造的要素外のコンピュータ・システムに提供することも可能である。このようなデータは、コンピュータ・ユニットと外部のコンピュータ・システムの間の通信装置によって双方向にやりとりすることが可能である。その通信装置は、無線送信機であってもよく、この無線送信機はこの目的に使用することができる。

ある実施態様には、電力を、例えばノード・エレメント外の電力源からそのノード・エレメントの少なくとも一つの接続ポートを通じて転送することが可能な送電インターフェースを含んだノード・エレメントが含まれる。

本発明のもう１つの主要点は、本体とその本体に対して配置される第１と第２の接続ポートとを含む、複数の構造的要素を組み立てるのに使用される結合エレメントである。接続ポートの少なくとも１つは、隣接した構造的要素に繋げることが可能である。コンピュータ・ユニットは、本体中に配置され、第１または第２の接続ポートから結合エレメントの物理的な特徴にかんする情報を受け取る。センサーは、そのような情報を見つけるのに用いられることができる。そしてそれらの適したセンサーは、構造的要素を基盤とした結合エレメントの少なくとも一つの動き、接続ポートに対する回転方向の向き、外にある空間的な向きの基準点に対する結合エレメントの位置や動き、そして結合エレメントにかかる外圧の情報を探知できるセンサーを含む。それらのセンサーには、回転センサー、加速度計、コンパス、計、磁力計、そしてジャイロスコープが含まれる。

本発明のもう１つの特徴は、物理的モデル（物理的、実体的に存在するモデル）とバーチャル・モデル（仮想的なモデル）を含んだハイブリッド・モデル・システムである。物理的モデルは、構造的要素をつなぐことが可能なノード・エレメントを少なくとも一つ含んでおり、そのノード・エレメントは、ノード・エレメントの物理的な特徴についての情報を含んでいる。バーチャル・モデルは、コンピュータ・システムによって形成され、物理的な特徴の情報は電子的に物理的モデルからバーチャル・モデルに提供される。物理的な特徴の情報は、ノード・エレメントのトポロジー（topology）に関連しており、そのモデルの他の構造に関連した情報を含むことが可能である。物理的な特徴の情報は、ノード・エレメント内にあるか、それに接続して配置されたセンサーによって提供されるようにすることが可能である。

このモデル・システムは、コンピュータ・ユニット上で動くソフトウェアプログラムを含み、バーチャル・モデルのコンピュータ・システムにおいて動くソフトウェアプログラムと通信を行う。コンピュータ・システムのソフトウェアプログラムはグラフィック・ディスプレイ視覚化ユニットを含むことができ、その視覚化ユニットは、物理的モデルの少なくとも一部、バーチャル・モデルの少なくとも一部又は、物理的モデルとバーチャル・モデルの両方の少なくとも一部を表現するグラフィック・ディスプレイをユーザーに提供できる。その視覚化ユニットは、例えばハイブリッド・モデルの物理的モデルまたはバーチャル・モデルから、構造情報や、エネルギー情報、物理的特性を表示できる。

実施態様には、バーチャル・モデルのコンピュータ・システムから物理的モデルのコンピュータ・ユニットへと情報を提供する通信システムを含む。情報は、ノード・エレメントに隣接して配置、あるいはその中に配置されたコントロール装置を作動させるコンピュータ・システムからノード・エレメントに提供される。コントロール装置の作動を、バーチャル・モデルのバーチャル的特徴に対応させることができる。その情報は、コンピュータ・システムから無線で伝えられることができる。

発明のもう１つの主要点は、結合エレメントの少なくとも１つと、ノード・エレメントの少なくとも１つを含む複数の構造的要素を組み立てるのに使用される構造モデル化キットである。結合エレメントは、本体と結合エレメント本体に関連して配置される第１と第２の接続ポートを含む。ノード・エレメントは、本体と、結合エレメントにつなぐことのできるノード・エレメントの本体に関連して配置されているノード接続ポート、そしてノード・エレメント本体の中に配置されているコンピュータ・ユニットが含まれる。コンピュータ・ユニットは、ノード接続ポートからノード・エレメントの物理的な特徴の情報を受け取る。

構造モデル化キットのノード・エレメントと結合エレメントは、分子モデルの少なくとも一部に対応するように繋ぐことができる。ノード・エレメントか結合エレメントの少なくとも一つは、外部のコンピュータ・・システムに物理的な特徴の情報を提供することができる通信装置を含んでいる。
発明のさらにもう１つの態様は、バーチャル・モデルに物理的な情報を組み込む方法である。それは、構造的要素につなぐことができる少なくとも１つのノード・エレメントを含む物理的モデルと、ノード・エレメントの物理的特徴の情報を含むコンピュータ・ユニットを含むノード・エレメントと、コンピュータ・システムにおいて作動するバーチャル・モデルを含んだモデル・システムとを提供するステップを含む方法である。物理的な特徴の情報は、物理的モデルからバーチャル・モデルに電子的に提供される。

前述の論議は、次に述べる発明の詳細な説明を、添付の図と共に用いることにより、さらに容易に理解ができる。

モデル・システムは、種々の構造の中や、それらの間における相互作用を表現し、シミュレートし、予測することに用いられ、そして、一般的に複数の構造的要素を結合することを含む。このような構造的要素には、ノードと結合(bond)が含まれる。結合は一般にノードをつなぎ合わせるのに使われ、そしてこれらは、例えば、分子や原子の粒子や相互作用を表わすために用いることができる。しかし、類似の構造上のモデル要素が、建造物、橋、トラス、基盤、及び、多くの土木構造体を含む多くの技術分野で使われている。この発明は、それらの分野に加え、原子や分子のモデリングと、その他の分野において有用である。本発明は、物理的な実体のあるモデルと、コンピュータ・ベース（バーチャル）モデル・システムとの両方を包含する。記述の明快さと容易さのために、以下の説明は主に分子モデリング技術に焦点を合わせる。しかしながら、本発明は、それ以外の、他の多くの研究分野へ応用できるものである。

本発明の図と説明は、明快さの目的のため、他の要素を排除することで、本発明の明確な理解に適切な要素を例証するために、単純化されている。例えば、ハードウェアとソフトウェアのある特定の詳細のような、特定のシステム・アーキテクチャの詳細は、ここには記述されていない。しかしながら、いわゆる当業者は、これら要素とその他の要素が、典型的なモデリングキット、モデル、ソフトウェアシステム、あるいはコミュニケーションネットワークにおいて望まれるものであると認識できよう。そのような要素の説明は当業者にとって既知であり、本発明の理解を促進するものではないので提供されていない。

本発明により、ユーザーあるいは複数のユーザーは、どんな分子あるいは分子システムの物理的なモデルを、組み立てて、操作し、これらの操作を計算分析のためにコンピュータ・システムへ透過的に移行することができるようになる。異なるユーザーが、異なる地理的場所から、物理的モデルの異なる部分に対して操作ができるようになり、そして、それらの努力の累積的な結果を、バーチャル・モデルに組み込むことができる。さらに、何人かのユーザーが異なる場所にいる場合でも、これらのユーザーは同時に物理的モデルとバーチャル・モデルのハイブリッドなモデルの異なる側面に取り組むことができる。これらことは、非常に複雑なモデルの場合には特に有利である。

先の物理的及びバーチャル・モデル・ツール（例えば、分子システム）の限界は、さらに複雑な分子の特徴が分析されることができるような、ユーザーの手で３Ｄモデルを物理的に操作し、それらの変化がコンピュータ上に反映される方法が無いということである。本発明によれば、タンパク質、オリゴヌクレオチド、その他の生体分子システムなど、どのような分子システムでも、物理的モデルとバーチャル・モデルによってモデル化し、シミュレーションすることができる。

図１は、分子構造を組み立て、視覚化し、シミュレートする統合的な物理的モデルとソフトウェアシステムを含む、典型的なハイブリッド・モデル・システムを略図に示すものである。本発明は、ハイブリッド・モデル・システムツールキットから組み立てられた、２０のような物理的に実在する３Ｄ分子モデルを、コンピュータ２１のような、ディスプレイスクリーンを持つコンピュータ・システムと相互接続することによって、従来の技術の限界を克服する。コンピュータは、分子視覚化ソフトウェア・ツール２２と、分子シミュレーション・ソフトウェア・ツール２３とを結び付ける。変化する環境や変化する分子構造を条件として、そのソフトウェア・ツールは、特定の分子の特徴と、その分子の変化の特徴を表わすことができる。実施例の一つは、物理的モデルが修正されて、分子システムのエネルギーの特徴を更新する、エネルギー計算ツール２４である。計算された変数は、Van der Wallsエネルギー、インターナル・コンフォーメイショナル・エネルギー（結合角と二面角のような）、さえぎられたクーロン・エネルギー、溶解エネルギーなどを含むことができる。このように物理的モデルは、複雑な計算、例えば、ハイレベルな量子力学的計算、分子ダイナミクス、多くの他の種類の物理的な特徴などを決定するための計算を実施することによって、コンピュータ・ベースのソフトウェア・ツールにおいて表現することができる。種々のレンダリングと動画作成能力もまた、コンピュータ２１上で作動しているソフトウェアに含めることができる。

以下でさらに詳細に論議されるように、物理的モデル２０は、物理的モデルの物理的な特徴の情報を含むことができる。そしてそのような情報は、物理的モデル２０から、コンピュータ２１上で動いているソフトウェア（すなわちバーチャル・モデル）へと提供することができる。

本発明の物理的モデルは、おもちゃの建物またはおもちゃのロボットではなく、分子構造が造られること以外は、知的な、相互結合する分子LEGOセット（Interlego A.G.社（スイス）の商標）に例えることができる。ユーザーは、原子一つ一つから、分子モデルを表わす３次元モデルを組み立てることができる。それぞれの原子単位が、個々に埋め込まれた知識、すなわち、それ自体の状態と、一つあるいは多数の隣接または近隣のノードと結合(bond)の存在あるいは不存在に関する知識を持つことができる。これらのユニットのいくつかあるいはすべてが、他のノードまたは結合を検知し、それらとインターフェースすることができるセンサーと処理能力を有しており、そして、バーチャル視覚化とシミュレーション・ソフトウェア・ツールを検知し、それとインターフェースするための通信能力を有している。このような通信あるいはコミュニケーションの能力は、電気的につながれた状態や、無線、あるいは他のタイプの伝送方法によって実現することができる。

分子モデル・ツール・キットは、あるモデルの物理的な構築や、ある分子モデルへの知識の埋め込み、原子または分子要素間の通信を、分子システム全体にわたって、あるいはコンピュータ・ベースのソフトウェア・システムを用いて可能にするものである、いくつかの要素をも含むことができる。以下は、そのような実施例の説明である。

図２Ａと図２Ｂは、分子モデルの基本的構成要素を表わしている。ノード・エレメント１は、原子単位を表わし、そして球状に形成することができる。特定のノード・エレメントは、そのノード・エレメントで表わされる原子によって、サイズ、色または他の特徴において異なる。ノード・エレメント１は、一つ又はもっと多くのノード接続ポート２を含むことができる。これらは、他のノード・エレメントとの実的接続ポイントであり、結合エレメント３を使うことができる。特定のノード接続ポート２は、与えられたノード接続ポートと関連する、原子または原子結合によって、サイズ、色、深さと、他の特徴において異なる。結合エレメント３は、原子の接続あるいは結合を表わしており、通常棒状である。結合エレメントは、通常、隣接した構造上の要素（例えば、ノード・エレメント又は他の結合エレメント）に結合することができる、少なくとも２つの接続ポートを持っているが、しかし、２つ以上の接続ポートを持つ場合もある。結合エレメントは、例えば、与えられた結合エレメントで表わされた原子結合によって、サイズ、色、または他の特徴において異なることもある。例えば、特定の形（例えば、正方形、八角形、三角形）は、シングル、ダブル、トリプル結合を区別するのに用いられることができ、または、異なった長さ又は色は、イオン結合を共有結合と区別するのに用いられることができる。

図３Ａと図３Ｂは、特定の機能的な要素及び、物理的モデルの構成要素の模範的な略図である。ノード接続ポート２は、静的で、ノード・エレメントに開けられた単純な穴のようであり得る。いくつかの実施例においては、センサー４、コントロール装置５、そして通信インターフェース６を含む。センサー４は、結合エレメント３の有無を決定することができる。多くのタイプのセンサーとセンサー機能は、運動、回転、位置、ストレス、ダイナミックな回転または運動、加速度計（加速性を測るために）、コンパス、傾斜計、磁力計とジャイロスコープを制限無く含み、用いることができる。これらのセンサーは、ノード・エレメントの物理的特徴の情報を識別するのに用いられることができる。そして、この情報は、ノード・エレメントのトポロジー（すなわち、接続構成と物理的特徴）を決定することに用いられることができる。ある実施例においては（図示せず）、２つのノード・エレメントは、結合エレメントなしで互いに結合することができる。コントロール装置５の作動は、例えば結合エレメントの運動の程度のような、ノード接続ポート２の物理的な特徴をコントロールするのに用いられることができる。この作動は、以下でさらに詳細に説明される、バーチャル・モデルによって提供された情報に基づくことができる。通信インターフェース６は、結合エレメントとの物理的あるいは実体的な接続を使うことにより、他のノード・エレメント１と、データの交換をすることができる。

ノード・エレメント１は、他のノード・エレメントおよび結合エレメント３を含む複数の構造上の要素を組み立てるのに用いることができる。ノード・エレメントは、少なくとも物理的モデルの一部に対応している構造的な集合を形成するために、結合エレメントのような、隣接した構造的な要素と結合されることができる。

マイクロプロセッサのようなコンピュータ装置７を、ノード・エレメントに埋め込むことができる。コンピュータ装置は、バッテリーのようなエネルギー源８、メモリ装置９、通信装置１０、ノード接続ポート２、センサー４、および/あるいはコントロール装置５に、有線、無線、ないしは他の方法で接続されることができる。コンピュータ装置７と、メモリ装置９両方を含むコンピュータ・ユニットを用いることができる。エネルギー源８は、ノード・エレメント１の中に置くことができ、そして機能的要素と埋め込まれたシステムに、電力を供給することができる。実施例においては、電力が接続ポートを通って、ノード・エレメントに伝えられることができるような、外部のエネルギー源が含まれる。メモリ装置は、例えば原子単位のような物理的モデルの埋め込まれたルールと、ノード・エレメントの機能の操作インストラクションとを含む。そのようなインストラクションには、例えばコントロール装置５のための作動情報を含むことができる。いくつかの実施例では、メモリ装置は、ノード・エレメント１のユニークな特性、通信装置１０からの入力データ、伝達装置のための出力、物理的モデルの状態を決定することに対するコミュニケーションルール、物理的モデル建造に対する基本的ルールおよび、インストラクションを処理して、ルールを解釈するためのコンピュータ機能を保存することができる。コンピュータ装置７は、ノード・エレメントの状態、すなわち接続ポート２、センサー４、コントロール装置５、通信プロセス、誤り訂正、および/またはシステムのメンテナンスとの相互作用を、コントロールすることができる。

通信装置１０は、ノード・エレメントまたは結合エレメントのような他の構造要素と、そして、例えば外部のコンピュータ・システム上で作動しているバーチャル・モデルまたは、コンピュータ・ベースの視覚化シミュレーション・ソフトウェア・ツールと、データの受信または送信をするコンピュータ装置７に接続されることができる。これらの通信は、電子的につながれた状態や、無線、または、熟練した技術者に知られている他の手段で送られることができる。

結合エレメント３は、原子、イオン、分子、または共有接続または結合を表すことができ、棒状であることが望ましい。個々の結合エレメントは、結合エレメントの両端に配置される２つのボンド接続ポート１１を持つことができる。これらのそれぞれが、ノード接続ポート２と実体的につながることができ、さらに、センサーを含むこともできる。ノード・エレメントで使われるセンサーのタイプが、また、結合エレメントで使われることができる。いくつかの実施例において、結合インターフェース・ポート１３は、ノード接続ポート２を通って、ノード・エレメントとの通信を促進させることができる。その他の実施例によれば、結合エレメント３は、メモリ、計算、そして通信機能を構成している結合通信機１２を含むことができる。この点において、結合通信機１２は、ノード・エレメントのコンピュータ・ユニットと少々似ている、そして、いくつかの実施例では、ノード・エレメントのためにコンピュータ・ユニットの機能を実行することができる。結合通信機１２は、特定の結合の識別情報または他の特徴（例：物理的な特徴）を保存することができる。いくつかの実施例において、結合エレメントは、結合エレメントとノード・エレメント間での情報の交換を認め、異なったノード・エレメント間での情報の交換を容易にする実体的なコミュニケーション能力を含むことができる。このように、結合通信機１２は、ノード・エレメント１のコンピュータ・ユニット（例えば、コンピュータ装置７）のものとされる機能の多くを実行することができる。そして、それによって、強健で、広範囲に渡る、潜在的に冗長なコンピュータ構成を提供する。いくつかの実施例において、結合通信機のコンピュータ能力は、モデルの他のコンピュータ必要条件を満たす、例えば、コンピュータ装置７を持たないノード・エレメントを埋め合わせることに用いられる。

図４Ａと図４Ｂは、単純な物理的モデルの典型的な構造を表わした略図である。ノード・エレメント１は、結合エレメント３に、例えば、図４Ａおよび図４Ｂで表わしたように、実体的に部分接続することによって、結び付けることができる。これらのような要素と埋め込まれた装置は、図５で例示するような、一つの単純な分子モデル１４で表わされるような、知的な物理的分子モデルを作り出すために結合されることができる。追加のノード・エレメント１と結合エレメント３で、図６で例示するような、複雑な分子構造を表わすさらに複雑な物理的モデルを作り出すことができる。図６は、非常に複雑な３次元モデルを、単に２次元で表現したものである。分子モデルの物理的特性は、例えば、図７に例示するような、そのモデルの回転できる結合１７や、曲げることのできる角度１８のような物理的特性を、表現し、シミュレートし、そして予測することに用いることができる。

いくつかの実施例において、物理的モデルの複数のノード・エレメントの計算とコミュニケーションの必要条件は、分子の中（すなわち、分子モデル化の文脈において）のような特定の境界の中で、構成要素であるノードと結合の情報を持つ、ひとつのノード・エレメントに統合することができる。そのような実施例では、受動的な要素（すなわち、コンピュータ・ユニットまたは結合コミュニケータを含まないノード・エレメントまたは結合エレメント）の使用は、それぞれの要素に、高価なコンピュータおよびコミュニケーション機能をインストールする必要性を取り除く。

上記から、物理的モデルの多くの異なった実施例は、ノード・エレメントや結合エレメントのような、個々の構造上の要素から組み立てることができると理解されることができる。組み立てられた構造物は、その物理的構成によって、少なくともその一部与えられる特定の物理的な特徴を備えている。そしてそのいくつかは、センサー４とモデルのその他の機能的な要素によって、発見され保存される。これらの物理的な特性の情報は、その後、電子的につながれた状態や、無線、または、他のコミュニケーションシステムによって、コンピュータ２１上で作用しているシミュレーション・ソフトウェア・ツールのようなバーチャル・モデルへと伝達することができる。

物理的モデル（実存するモデル）の物理的な特性の情報は、コンピュータ・システム上で作動しているバーチャル・モデルに提供されるのが望ましい。ノード・エレメントおよび結合エレメントで構成された物理的モデル（例えば、埋め込まれた知識と連結性を持つ原子ユニットを表わすような）を、リアルタイムに３次元空間で操ることができる。このようにつくられる情報は、物理的モデルの外側のコンピュータ・システムに提供できる。それによって、それによって複雑な計算、予測、さまざまな計算が集中したモデル結果を生成して、それを使うことができる。

バーチャル・モデル・ソフトウェアは、視覚化ツールとシミュレーション・ツールから成り立つことができる。視覚化ソフトウェア・ツールは、コンピュータ・スクリーンのような、視覚化プラットホーム上に、物理的モデルのさまざまな特性の表現を可能にする。シミュレーション・ソフトウェア・ツールは、エネルギー論、量子力学的作用、振動のモード、結晶格子構造、分子力と他の人間の目に見えない特徴のような、付加的な特徴を表わし、伝えるのに使用することができる。そして/または、いろいろなテスト装置によって供給されるパラメータまたは入力として、そのような特徴のコントロールまたは計算をもまた可能にする。

ユーザーは、ボタンのクリックで、バーチャル・モデルの入力変数を修正することができ、分子構造のパラメータの表示することができ、そして分子構造またはそのシミュレーションの全て、または一部の映像を造ることさえできる。さまざまな表現オプションはまた、いろいろなサイズや解像度の写真を作成するのに用いられることができる。そのようなイメージはインターネット上で公表されることができ、あるいは、それらは大きなポスターを作成する十分な解像度でありえる。

上記で論じた図１は、物理的モデルとコンピュータ・ベースのソフトウェア・ツールのバーチャル・モデルとの間の、情報交換をすることに使われる通信装置１０を説明するものである。通信装置１０は、複合型モデル・システムによって必要な連結性を提供することができ、そしてそれは、物理的モデルからバーチャル・モデルへ、バーチャル・モデルから物理的モデルへ、あるいは両方の基礎分子ジオメトリーを送ることができる。好ましい実施例では、このようなコミュニケーションは、物理的モデルのひとつまたはそれ以上のノード・エレメント１とコンピュータ・システムの802.11B無線ポート（図示せず）のような周辺通信装置との間で、ワイアレスで行われる。バーチャル・モデルに提供された情報は、一組の分子座標を決定されて、そして、コンピュータ・スクリーンのような、ディスプレイ装置上に表示されることを可能にする。この情報を使って、シミュレーション・ソフトウェア・ツールは、エネルギー論、量子力学的作用、振動のモード、結晶格子構造、分子力と人間の目に見えない他の特徴のような、分子の特徴を表わすことができる。ユーザーは、また、視覚的に提示または物理的モデルで表わされることのできるソフトウェア・ツールによって、特定の変化または規制を課すことができる。

さらなる実施例によれば、物理的な特徴がつくられるか、物理的モデルの上で動かされるようなバーチャル・モデルから物理的モデルまで、バーチャル特徴の情報を提供することを含む。このような特徴は、例えば、ＬＥＤ、振動ユニット、またはその他の適した手段によって表されることができる。このようなコミュニケーションは、双方向性でありえる。例えば、物理的モデルのＬＥＤ、振動ユニット、スイッチ、およびその他の実体的な発動は、バーチャル・モデルの望ましいバーチャルの特徴と関係していることがありえる。もちろん、ユーザーは、物理的モデルにおいてノード・エレメント1（例えば、原子）を加えるかまたは、取り外すことによって、バーチャル・モデルを修正することもできる。接続、回転のオリエンテーション、二面角などの操作は、また、実体的に物理的モデルを変えることにより、バーチャル・モデルの特質を修正するために用いられることができる。望ましい実施例では、物理的モデルへのそのような修正と変更は、リアルタイムにバーチャル・モデルで更新されることができる。このように、ユーザーが物理的モデルを修正し、それらの結果は、それらが表示されるバーチャル・モデルに中継され、そして、モデルソフトウェア・ツールのための入力として使われることができる。

物理的モデルの特性（例えば、物理的な特徴）および、バーチャル・モデルの特性（例えば、バーチャルな特徴）は、このように、発明のハイブリッド・モデルを使って、ある程度関連づけられている。ＬＥＤあるいは、その他のディスプレイ装置は、実体的な表示されること、または、物理的モデルの一部であることは通常簡単ではないバーチャル・モデルから、バーチャルな特徴を物理的モデルにおいて表わすのに用いられることができる。逆の関係もまた、確立されることができる。そこで、物理的モデルの構造上の要素の装置は、バーチャルな特徴を表わすために、ユーザーによって提供、または操作されることができる。そして、この物理的表現の情報または、物理的表現からの情報は、計算またはグラフィック・ディスプレイのために、バーチャル・モデルに提供されることができる。物理的な特徴とバーチャルな特徴の間の区別は、このようにはっきりしなくなる。がって、必要に応じて、ここで記述される実体的およびバーチャルな特徴のそれぞれは、何らかの形で、物理的モデルで表わされることができて、また、バーチャル・モデルの中およびそれによって表わされることができる。この文書のどこか他で記述される物理的な特徴とバーチャルな特徴に加えて、そのような特徴は、また、位置情報、モデル要素（例えば、構造上の要素）の相対的そして、絶対的な動き、モデル要素上および範囲内での実体的な圧力そして/あるいはストレス、より大きなノード・エレメント（例えば、カーボン）が、より小さなノード・エレメント（例えば、水素）と区別させるようなノード・エレメント（例えば、原子）のサイズ、または、特定の強さまたはタイプ（例えば、単結合）を表わしている結合エレメントが、異なる強さまたはタイプ（例えば、二重結合）の結合エレメントと区別させるような結合エレメントも含むことができる。

コンピュータ・ベースのバーチャル・モデルが、物理的モデル（例えば、発明が分子モデルとして用いられるとき）とコミュニケーションするために用いられるとき、特定の分子ルールは、バーチャル・モデルのコンピュータ・システム、ノード・エレメントのコンピュータ・ユニット、および/または、結合エレメントの結合コミュニケータに存するソフトウェア・ツールによって、物理的モデルの構造または実体的な反応に課されることができる。このように、コンピュータで視覚化されるか、シミュレートされる都度、物理的モデルからバーチャル・モデルに情報を交換するメカニズムが、確立されることができる。さらに、分子特徴の知識が進歩し、モデルが修正されることができるように、ある特定のルールおよび新しいパラメータが、組み込まれた原子要素に課されることができる。実験的なモデル結果が要求される状況では、この過程は反復でありえる。

他の実施例によれば、物理的モデルとバーチャル・モデルの間で、双方向に情報が交換されるフィードバックループを含む。例えば、コントロール装置５が、物理的モデルに関して実験的なバーチャルモデリングの結果を実行するとき、ユーザーは、物理的モデルを修正するか、あるいは更新することができる。先に述べたように、このような操作は、その後、前記したように、物理的モデルによって検出されることができ、そして、更新された物理的な特徴の情報は、バーチャル・モデルに提供されることができる。モデル結果のもう一つの反復は、それから実行されることができる。この方法は、効率と生産性を増やす一方、ユーザーに、物理的モデルおよびバーチャル・モデル、そしてモデル技術の利点を提供する。

実施例によれば、例えば、ビーコンのような、位置表示器を利用するＧＰＳシステムの使用を通して、３次元空間に、ノード・エレメントの相対的な位置を決定することができる通信インターフェースを、ノード・エレメントの中心または表面上に含む。他のノード・エレメントと比較して、位置表示器の位置を三角測量するセンサーが、供給されることができる。
物理的モデル・ツールと、バーチャル・モデル・ツールは、他のソフトウェア・ツールの使用と組み合わせられて、特定の時に、互いに無関係に用いられることができ、後に、お互いと相互に連結させられることができる。たとえば、人が物理的モデルを持って可能性のある顧客を訪問し、後で、物理的モデルから顧客の視覚化またはシミュレーション・ソフトウェアに、情報をアップロードすることができる。それによって、単に物理的モデルを観察することでは人間の裸眼または知性にとって明らかでない特定の特徴を実証する。

本発明は、教室や研究室環境の両方で用いられることもできる。例えば、現在静的で、知性の無いモデルを使っている高校生が、実体的（例えば、分子）構造のダイナミックな特性について学習するために、この発明を使用することができる。商業的な研究者は、原子レベル上で複雑な関係に対する意味がある洞察力を増して、そのような関係を、実体およびバーチャルフォーマットにおいて表わすために、この発明を使用することができる。

本発明は、前述の説明によって制限されず、可能な限りの変更、修正、そして、変化を包合することは理解されるべきである。

上述のように、本発明は、いろいろな物理的モデルとバーチャル・モデルを作成し、相互接続するための非常に有用な装置と方法が開発されたことが分かる。それによって、かなりの時間節約と効率向上を図ることができる。ここで使用された用語と表現は、説明のためのものであって、限定する意図があるものではない。用語や表現の使用において、紹介した特徴の均等物または等価物あるいはそれらの一部を除外するような意図はない。発明の範囲内で、さまざまな修正が可能であると認められる。

本発明の実施例による、分子構造を組み立て、視覚化し、シミュレートする統合的な物理的モデルとソフトウェアシステムの模範的な略図である。図２Ａおよび図２Ｂは、ノード・エレメント（原子を表す）と結合エレメント（２つのノード・エレメントの接合を表わす）で構成された分子モデルの構成部品を描いた模範的な略図である。図３Ａおよび図３Ｂは、分子モデルの構成部品の要素を表わす模範的な略図である。図４Ａおよび図４Ｂは、単純な分子モデルの構造を表わす模範的な略図である。単純な分子モデルを表わす模範的な略図である。さらに複雑な分子モデルを表わす模範的な略図である。複雑な分子モデルの実際の特性をいくつか描いたものである。

Claims

本体と、
該本体との関係において配置された一以上の接続ポートであって、少なくともその一つが隣接する構造的要素に結合することができる接続ポートと、
該接続ポートからノード・エレメントの物理的特徴の情報を受け取る、該本体内に配設されたコンピュータ・ユニットと
を備える複数の構造的要素を組み立てるのに使用するためのノード・エレメント。
ノード・エレメント情報を提供することができる通信装置を更に備える請求項１のノード・エレメント。
前記隣接する構造的要素が結合エレメントを含むことを特徴とする請求項１のノード・エレメント。
前記コンピュータ・ユニットが前記物理的特徴の情報を用いてノード・エレメントのトポロジーを決定する、請求項１のノード・エレメント。
前記ノード・エレメントの中に配置されたセンサーから前記物理的特徴の情報を得る、請求項４のノード・エレメント。
結合エレメントに対するノード・エレメントの動きと、接続ポートに対する回転の向きと、構成的要素の一つに対するノード・エレメントの動きと、外にある空間的な向きの基準ポイントに対するノード・エレメントの位置や動きと、ノード・エレメントにかかる外圧とのうちのいずれか一つ以上の情報を探知するセンサーをさらに備える請求項１のノード・エレメント。
回転センサーと、加速度計と、コンパスと、傾斜計と、磁力計と、ジャイロスコープとのうちの少なくとも一つを備える請求項６のノード・エレメント。
前記コンピュータ・ユニットが前記センサーから前記物理的特徴の情報を受け取るものである、請求項６のノード・エレメント。
前記センサーが前記ノード・エレメントの物理的特徴の変化に関する情報を貯め、あるいは提供する、請求項６のノード・エレメント。
前記接続ポートの物理的特徴を操作するコントロール装置を更に備える請求項１のノード・エレメント。
前記コントロール装置が、アクチュエータ、振動ユニット、または、発光ダイオードを備える、請求項１０のノード・エレメント。
前記通信装置が前記コンピュータ・ユニットから前記構造的要素の一つにデータを転送する、請求項２のノード・エレメント。
前記通信装置が前記コンピュータ・ユニットから外部のコンピュータ・システムにデータを提供する、請求項２のノード・エレメント。
前記通信装置が前記外部のコンピュータ・システムと前記コンピュータ・ユニットの間で情報を交換する、請求項１３のノード・エレメント。
前記接続ポートの少なくとも一つを通じて、ノード・エレメントへと、外部の電源から電力を転送することが可能な電力配送インターフェースを備える請求項２のノード・エレメント。
前記通信装置が無線の送信機を備える請求項２のノード・エレメント。
本体と、
該本体との関係において配置された第１と第２の接続ポートであって、この第１と第２の接続ポートが隣接する構造的要素に結合することができる第１と第２の接続ポートと、
該第１の接続ポートまたは該第２の接続ポートから結合エレメントの物理的特徴の情報を受け取る、該本体内に配設されたコンピュータ・ユニットと
を備える複数の構造的要素を組み立てるのに使用するための結合エレメント。
構造的要素に対する結合エレメントの少なくとも一つの動きと、接続ポートに対する回転の向きと、外にある空間的な向きの基準ポイントに対する結合エレメントの位置や動きと、結合エレメントにかかる外圧とのうちのいずれか一つ以上の情報を探知するセンサーをさらに備える請求項１７の結合エレメント。
回転センサーと、加速度計と、コンパスと、傾斜計と、磁力計と、ジャイロスコープとのうちの少なくとも一つを備える請求項１８の結合エレメント。
構造的要素に結合することができる少なくとも１つのノード・エレメントを含む物理的モデルであって、該ノード・エレメントが該ノード・エレメントの物理的特徴の情報を含むコンピュータ・ユニットを備えるものである物理的モデルと、
コンピュータ・システムに記憶されたバーチャル・モデルであって、ノード・エレメントの物理的特徴の情報は前記物理的モデルから前記バーチャル・モデルへと電子的に提供されるものである、バーチャル・モデルと
を備えるハイブリッド・モデル化システム。
物理的特徴の情報がノード・エレメントのトポロジーに関連している請求項２０のモデル・システム。
ノード・エレメントのコンピュータ・ユニットが、ノード・エレメントの中に配置されているか、あるいはノード・エレメントに接続されているセンサーから物理的特徴の情報を受け取る、請求項２０のモデル・システム。
コンピュータ・ユニット上で作動していて、バーチャル・モデルのコンピュータ・システム上で作動しており、ソフトウェアプログラムと通信しているソフトウェアプログラムを備える請求項２２のモデル・システム。
コンピュータ・システムのソフトウェアプログラムがグラフィック・ディスプレイ視覚化ユニットを含む請求項２３のモデル・システム。
視覚化ユニットが、物理的モデルの少なくとも一部、バーチャル・モデルの少なくとも一部、または、物理的モデルとバーチャル・モデルの両方の一部のグラフィック・ディスプレイをユーザーに提供するものである、請求項２４のモデル・システム。
視覚化ユニットが、構造情報と、エネルギー情報と、ハイブリッドのモデルの物理的な特性のうちの少なくとも一つを表示する請求項２４のモデル・システム。
バーチャル・モデルのコンピュータ・システムから物理的モデルのコンピュータ・ユニットへと情報を提供する通信システムを更に備える請求項２０のモデル・システム。
前記コンピュータ・システムから前記ノード・エレメントに提供された情報が前記ノード・エレメントの中にあるか隣接して置かれたコントロール装置を作動させるものである、請求項２７のモデル・システム。
前記情報がコンピュータ・システムから無線で通信される請求項２８のモデル・システム。
前記コントロール装置の作動がバーチャル・モデルのあるバーチャルな特徴に対応するものである、請求項２８のモデル・システム。
結合エレメントであって、本体と、該結合エレメント本体との関係において配置された第１と第２の接続ポートとを備える少なくとも一つの結合エレメントと、
ノード・エレメントであって、本体と、該ノード・エレメントの本体との関係において配置された一以上のノード接続ポートであって、前記結合エレメントに結合することができるノード接続ポートと、該ノード接続ポートからノード・エレメントの物理的特徴の情報を受け取る、該ノード・エレメント本体内に配設されたコンピュータ・ユニットとを備える少なくとも一つのノード・エレメントと
を備える複数の構造的要素を組み立てるのに用いられる構造モデル化キット。
前記ノード・エレメントと前記結合エレメントが、分子のモデルの少なくとも一部に対応するために結合される、請求項３１のモデル化キット。
前記ノード・エレメントあるいは前記結合エレメントの少なくとも一つが外部のコンピュータ・システムに物理的特徴の情報を提供することができる通信装置から構成される請求項３１のモデル化キット。
あるバーチャル・モデルに物理的情報を組み込む方法であって、
構造的要素に結合することができる少なくとも１つのノード・エレメントを含む物理的モデルであって、該ノード・エレメントが該ノード・エレメントの物理的特徴の情報を含んでいるコンピュータ・ユニットを備えるものである物理的モデルと、
コンピュータ・システムに記憶されたバーチャル・モデルと
を備えてなるモデル化システムを提供するステップと、
前記物理的モデルから前記バーチャル・モデルへと該ノード・エレメントの物理的特徴の情報を電子的に提供するステップと
を含んでなる方法。