The mechanochemical basis of pattern formation

Abstract

This doctoral thesis describes a novel model for coupling continuous chemical diffusion and discrete cellular events inside a biologically inspired simulation environment. Our goal is to define and explore a minimalist set of features that are also expressive, enabling the creation of complex 2D patterns using just a few rules. By not being constrained into a static or regular grid, we show that many different phenomena can be simulated, such as traditional reaction-diffusion systems, cellular automata, and pigmentation patterns from living beings. In particular, we demonstrate that adding chemical saturation increases significantly the range of simulated patterns using reaction-diffusion, including patterns not possible before. Our results suggest a possible universal model that can integrate previous pattern formation approaches, providing new ground for experimentation and realistic-looking textures for general use in Computer Graphics.

Esta tese de doutorado descreve um novo modelo para o acoplamento de difusão química contínua e eventos celulares discretos dentro de um ambiente de simulação biologicamente inspirado. Nosso objetivo é definir e explorar um conjunto minimalista de recursos que também são expressivos, permitindo a criação de padrões 2D complexos usando apenas poucas regras. Por não nos restringirmos a uma grade estática ou regular, mostramos que muitos fenômenos diferentes podem ser simulados, como sistemas tradicionais de reação-difusão, autômatos celulares e padrões de pigmentação de seres vivos. Em particular, demonstramos que a adição de saturação química aumenta significativamente a gama de padrões simulados usando reação-difusão, incluindo padrões que não eram possíveis anteriormente. Nossos resultados sugerem um possível modelo universal que pode integrar abordagens de formação de padrões anteriores, fornecendo nova base para experimentação e texturas de aparência realista para uso geral em Computação Gráfica.