For at lave en bedre sensor, bare tilføje støj

Tilføjelse af støj for at forstærke et svagt signal er et sansefænomen, der er almindeligt i dyreverdenen, men usædvanligt i menneskeskabte sensorer. Nu har Penn State-forskere tilføjet en lille mængde baggrundsstøj for at forstærke meget svage signaler i en lyskilde, der er for svag til at kunne mærke.

I modsætning til de fleste sensorer, hvor støj er et problem, der bør undertrykkes, de fandt ud af, at tilføjelse af den helt rigtige mængde baggrundsstøj faktisk kan øge et signal, der er for svagt til at kunne registrere af normale sensorer, til et niveau, der kan nå sporbarhed.

Selvom deres sensor, baseret på et todimensionelt materiale kaldet molybdændisulfid, registrerer lys, samme princip kan bruges til at detektere andre signaler, og fordi det kræver meget lidt energi og plads sammenlignet med konventionelle sensorer, kunne finde bred tilpasning i det kommende Internet of Things (IoT). IoT vil implementere titusinder af sensorer til at overvåge forholdene i hjemmet og fabrikker, og lave energikrav ville være en stærk bonus.

"Dette fænomen er noget, der ofte ses i naturen, " siger Saptarshi Das, en adjunkt i ingeniørvidenskab og mekanik. "For eksempel, en paddlefish, der lever i mudret vand, kan faktisk ikke finde sin føde, som er et planteplankton kaldet Daphnia, ved synet. Paddlefishen har elektroreceptorer, der kan opfange meget svage elektriske signaler fra Daphnia på op til 50 meter. Hvis du tilføjer en lille smule støj, den kan finde Daphnia på 75 meter eller endda 100 meter. Denne evne bidrager til dette dyrs evolutionære succes."

Et andet interessant eksempel er juvelbillen, som kan opdage en skovbrand på 50 miles afstand. Den mest avancerede infrarøde detektor kan kun registrere ved 10 til 20 miles. Dette skyldes et fænomen disse dyr bruger kaldet stokastisk resonans.

"Stokastisk resonans er et fænomen, hvor et svagt signal, som er under detektionstærsklen for en sensor, kan detekteres i nærvær af en endelig og passende mængde støj, " ifølge Akhil Dodda, en kandidatstuderende i ingeniørvidenskab og mekanik og med-førsteforfatter på et nyt papir, der vises i denne uge i Naturkommunikation .

I deres papir, forskerne demonstrerer den første brug af denne teknik til at detektere et fotonisk signal under tærskelværdien.

En mulig anvendelse, der overvejes, er for tropper i kamp. Hærens personel i felten bærer allerede meget omfangsrigt udstyr. Det er umuligt at tilføje det tunge, strømkrævende udstyr, der kræves for at forbedre et undertærskelsignal. Deres teknik er også anvendelig i ressourcebegrænsede miljøer eller under havet, hvor folk ønsker at overvåge meget svage signaler. Det kan også bruges på vulkanske steder eller til at overvåge jordskælv i tide til at give en alarm.

"Hvem ville have troet, at støj kunne spille en konstruktiv rolle i signaldetektion? Vi har udfordret traditionen for at detektere ellers uopdagelige signaler med minimalt energiforbrug. Dette kan åbne døre til et totalt uudforsket og ignoreret felt af støjforstærket signaldetektering, " sagde Aaryan Oberoi, en kandidatstuderende fra Institut for Ingeniørvidenskab og Mekanik og med-førsteforfatter på papiret.

Deres næste skridt er at demonstrere denne teknik på en silicium fotodiode, hvilket ville gøre enheden meget skalerbar. Enhver state-of-the-art sensor kan forbedres med dette koncept, siger Das.