Mange knopper til at blomstre:En synkroniseringsmetode til sansning ved hjælp af mange oscillatorer

Ingeniører på Tokyo Tech har fundet en ny tilgang til at foretage en måling over et udvidet område. Teknikken er baseret på koblede kaotiske oscillatorer, som er meget følsomme elektroniske kredsløb, der kan interagere trådløst gennem lavfrekvente, lav effekt elektromagnetisk kobling. Ved at gøre hver oscillator følsom over for en mængde af interesse, såsom lysintensitet, og spredte et antal af dem tilstrækkeligt tæt, det er muligt at læse nyttige målestatistikker fra deres kollektive aktivitet.

På mange områder inden for teknik og videnskab, det er grundlæggende vigtigt at foretage pålidelige målinger på veldefinerede steder. Imidlertid, dette ændrer sig i nutidens tilsluttede verden i forsøget på at distribuere teknologi overalt for at forbedre bæredygtighed. Et hurtigt voksende behov er, at effektivt foretage målinger over relativt store overflader eller objekter, for eksempel, omfattende vurdering af jordens vandindhold over en hel dyrket grund, kontrollere for revner i hele volumen af ​​en betonsøjle, eller føler tremor på tværs af alle lemsegmenter hos en patient.

I sådanne tilfælde, en måling taget på et enkelt sted er ikke nok. Der er brug for at bruge mange sensorer, spredt omtrent jævnt over området eller objektet af interesse, giver anledning til et sæt teknikker kaldet "distribueret sansning". Imidlertid, denne teknik har et potentielt problem:Læsning af data fra hver enkelt sensor kan kræve betydelig infrastruktur og strøm. I situationer, hvor der kun skal beregnes et pålideligt gennemsnit eller en maksimal værdi, det ville være at foretrække, hvis sensorer simpelthen kunne interagere indbyrdes som en befolkning, reelt "kommer til enighed" om den ønskede statistik, som derefter kunne læses op på en måde, der ikke kræver at forhøre hver knude individuelt.

Imidlertid, at implementere dette elektronisk er ikke let. Digital radio og behandlingsteknologi er altid en mulighed, men er meget krævende med hensyn til størrelse, magt og kompleksitet. En alternativ tilgang er at stole på analoge oscillatorer af en ejendommelig type, som er meget enkle, men udstyret med en bemærkelsesværdig evne til at generere kompleks adfærd, hver for sig og samlet:Disse er såkaldte kaotiske oscillatorer. Nu, forskere i Japan og Italien foreslår en ny tilgang til distribueret måling baseret på netværk af kaotiske oscillatorer. Denne forskning var resultatet af et samarbejde mellem forskere fra Tokyo Institute of Technology, delvist finansieret af World Research Hub Initiative, universiteterne i Catania og Trento, Italien, og Bruno Kessler Foundation, også i Trento, Italien.

Forskergruppen startede med tanken om, at kobling af kaotiske oscillatorer, endda meget svagt som i tilfælde af over-the-air ved hjælp af induktionsspoler eller andre antenner, gør det let for dem at skabe meningsfuld kollektiv aktivitet. Overraskende nok, lignende principper synes at opstå i netværk af neuroner, mennesker, eller, Ja, elektroniske oscillatorer, hvor aktiviteten af ​​deres bestanddele er synkroniseret. Ved at gøre hver oscillator lydhør over for en bestemt fysisk størrelse, såsom lysintensitet, bevægelse, eller åbning af en revne, det er effektivt muligt at skabe en "kollektiv intelligens" via synkronisering, effektivt reagerer på ændringer, der understreger følsomheden over for et aspekt af interesse, samtidig med at de er robuste over for forstyrrelser som følerskader eller tab. Dette ligner de fungerende principper for biologiske hjerner.

Nøglen til at realisere det foreslåede kredsløb var at starte fra en af ​​de mindste kaotiske oscillatorer, man kender, involverer kun en enkelt bipolar transistor, to induktorer, en kondensator, og en modstand. Dette kredsløb, introduceret for fire år siden af ​​Dr. Ludovico Minati, undersøgelsens hovedforfatter, var bemærkelsesværdig for sin rige adfærd, der stod i modsætning til dens enkelhed. Kredsløbet blev ændret, så det kunne drives af et kompakt solpanel frem for et batteri, og så en af ​​dens induktorer kunne muliggøre kobling via sit magnetfelt, fungerer effektivt som en antenne.

Den resulterende prototype -enhed viste sig pålideligt at producere kaotiske bølger afhængigt af lysniveauet. I øvrigt, at bringe flere enheder tættere ville få dem til at generere konsonantaktivitet på en måde, der er repræsentativ for det gennemsnitlige lysniveau. "Effektivt, vi kunne lave rumlig gennemsnit over luften med kun en håndfuld transistorer. Det er utroligt færre i forhold til de titusinder, der ville være nødvendige for at implementere en digital processor på hver node, "ifølge Dr. Hiroyuki Ito, leder af laboratoriet, hvor enhedens prototype blev bygget, og Dr. Korkut Tokgoz fra det samme laboratorium. Kredsløbets design og resultater er omhyggeligt detaljeret i artiklen i IEEE -adgang tidsskrift.

Men måske endnu mere bemærkelsesværdig var opdagelsen, at den bedste måde at høste information fra disse knudepunkter på ikke bare var at lytte til dem, men forsigtigt stimulere dem med et "exciter" signal, som blev genereret af et lignende kredsløb og påført ved hjælp af en stor spole. Afhængig af mange faktorer, såsom spoleafstand og kredsløbsindstillinger, det var muligt at skabe forskellige adfærd som reaktion på belysningens niveau og mønster. I nogle situationer, effekten var en øget synkronisering, hos andre, spredt synkronisering; tilsvarende, der var tilfælde, hvor en sensor ville "trække" hele netværket mod uregelmæssig, kaotisk svingning, og andre, da det modsatte skete.

Mest vigtigt, forskerne opnåede nøjagtige og robuste målinger fra sensorerne via aktiviteten af ​​"exciter" kredsløbet, der fungerer som en proxy. Fordi tilvejebringelse af exciteringssignalet tillader observation af mange dynamikker, der ellers er "skjult" inde i sensorknuderne, forskerne mente, at det lignede processen med at vande blomsterknopper, så de kunne åbne op for en blomst (en kollektiv funktion). Sensor- og excitorkredsløbene blev henholdsvis kaldt "Tsubomi" og "Ame, "ordene for" blomsterknop "og" regn "på japansk." Fordi det er let at anvende denne tilgang med mange sensorer, der interagerer kollektivt på en menneskelig krops skala, i fremtiden, vi vil gerne anvende denne nye teknik til at aflæse subtile bevægelser og biologiske signaler, "forklar prof. Yasuharu Koike og Dr. Natsue Yoshimura, fra Biointerfaces laboratorium, hvor der blev udført nogle proof-of-concept tests.

"Dette kredsløb trækker sin skønhed fra et virkelig minimalistisk design, der er forsigtigt tilpasset til at fungere kollektivt på en harmonisk måde, giver anledning til noget, der er så meget mere end de enkelte komponenter, som hvordan et utal af små kronblade skaber en blomst, "siger Dr. Ludovico Minati, hvis forskning nu helt er dedikeret til fremkomsten i ikke -lineære elektroniske kredsløb. Det her, forklarer han, er endnu et eksempel på, hvordan naturen kan inspirere og vejlede nye tekniske tilgange, mindre forankret i foreskrivende specifikationer og mere fokuseret på nye adfærd. De vanskeligheder, der er stødt på ved anvendelsen af ​​denne fremgangsmåde, er fortsat betydelige, men de potentielle belønninger er enorme med hensyn til at realisere komplekse funktioner på den mest økonomiske og bæredygtige måde. "Multidisciplinær integration er virkelig nøglen til succes med prækursorisk forskning som denne, "bemærker prof. Mattia Frasca fra University of Catania, Italien, hvis arbejde med komplekse kredsløb og netværk var et grundlæggende grundlag for denne kollaborative forskning.