Het is echt verrassend dat veel eenvoudige elektronische circuits die zijn opgebouwd uit slechts een paar componenten, zich chaotisch gedragen, in een uiterst gecompliceerde, praktisch onvoorspelbare manier. Natuurkundigen van het Instituut voor Kernfysica Poolse Academie van Wetenschappen in Krakau hebben ontdekt, tientallen nieuwe, ongebruikelijke circuits van dit type. Wat vooral interessant is, is dat een van de circuits spanningspulsen genereert die erg lijken op die van neuronen, alleen doet het dat duizend keer sneller.

Slechts een paar transistoren, weerstanden, condensatoren en inductiespoelen zijn voldoende om elektronische circuits te bouwen die zich op een vrijwel onvoorspelbare manier gedragen. Zelfs in zulke eenvoudige systemen, chaotische schommelingen van complexe aard blijken de norm te zijn. In een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Chaos , de onderzoekers presenteren 49 nieuwe, ongebruikelijke chaotische elektronische oscillatoren - niet doelbewust ontworpen, maar ontdekt in computersimulaties.

"Elektronica wordt meestal geassocieerd met apparaten die precies en altijd volgens verwachting werken. Ons onderzoek laat een heel ander beeld zien. Zelfs in elektronische schakelingen met slechts één of twee transistoren, chaos is alomtegenwoordig. De voorspelbare reacties van gewone elektronische apparaten weerspiegelen niet de aard van elektronica, maar de inspanningen van ontwerpers, " zegt de eerste auteur van de studie, Dr. Ludovico Minati (IFJ PAN).

door chaos, we bedoelen over het algemeen gebrek aan orde. in de natuurkunde, dit concept werkt een beetje anders. Er wordt gezegd dat circuits zich chaotisch gedragen wanneer zelfs zeer kleine veranderingen in invoerparameters resulteren in grote veranderingen in uitvoer. Aangezien verschillende soorten schommelingen een natuurlijk kenmerk van de wereld zijn, in praktijk, chaotische systemen vertonen een enorme variatie in gedrag - zo groot dat nauwkeurige voorspellingen erg moeilijk zijn, en vaak onmogelijk. Het circuit lijkt zich dus nogal willekeurig te gedragen, hoewel de evolutie ervan een bepaald gecompliceerd patroon volgt.

Chaotisch gedrag is zo complex dat tot op de dag van vandaag er zijn geen methoden om elektronische schakelingen van dit type effectief te ontwerpen. Dus de onderzoekers benaderden het probleem anders. In plaats van chaotische oscillatoren helemaal opnieuw te bouwen, ze besloten om ze te ontdekken. De structuur van de circuits, samengesteld uit in de handel verkrijgbare componenten, werd in kaart gebracht als een reeks van 85 bits. In de maximale configuratie, de gemodelleerde circuits bestonden uit een stroombron, twee transistoren, een weerstand en zes condensatoren of inductiespoelen, verbonden in een circuit met acht knooppunten. Deze reeksen bits werden vervolgens willekeurig gewijzigd. De simulaties zijn gemaakt op een Cray XD1 supercomputer.

"Onze zoektocht was blind, in een gigantische ruimte met 2 ⁸⁵ mogelijke combinaties. Tijdens de simulatie, we analyseerden min of meer 2 miljoen circuits, een extreem klein deel van de beschikbare ruimte. Van deze, ongeveer 2, 500 circuits vertoonden interessant gedrag, " zegt dr. Minati, en benadrukt dat er eerder bekend was met chaotische elektronische oscillatoren. Tot nu, echter, het leek erop dat ze slechts in enkele varianten voorkwamen, en dat hun constructie enige inspanning en een passend complex systeem vergde.

De onderzoekers analyseerden het gedrag van de nieuwe circuits met behulp van het SPICE-programma, vaak gebruikt bij het ontwerpen van elektronische schakelingen. Echter, bij chaotisch gedrag, De simulatiemogelijkheden van SPICE bleken onvoldoende. Dus de 100 meest interessante circuits werden fysiek gebouwd en getest in het laboratorium. Om de kwaliteit van de tijdens de tests gegenereerde signalen te verbeteren, de onderzoekers voerden een delicate afstemming uit van de componentparameters. Eventueel, het aantal interessante circuits werd teruggebracht tot 49. De kleinste chaotische oscillator bestond uit één transistor, een condensator, een weerstand en twee inductiespoelen. De meeste gevonden circuits vertoonden niet-triviale, chaotisch gedrag met een soms verbazingwekkende schaal van complexiteit. Deze complexiteit kan worden gevisualiseerd met behulp van speciale grafieken:aantrekkingen, geometrisch de aard van veranderingen in het circuit in de loop van de tijd weergeeft. Statistische analyses van de signalen gegenereerd door de nieuwe oscillatoren deden dat niet, echter, om sporen te onthullen van twee belangrijke kenmerken die in veel zelforganiserende systemen worden aangetroffen:kriticiteit en multi-fractaliteit.

"We zouden kunnen praten over multifractaliteit als verschillende delen van het spanningsvariatiediagram, op verschillende plaatsen op verschillende manieren uitvergroot, vertoonde veranderingen die vergelijkbaar waren met de oorspronkelijke kenmerken. Beurtelings, we zouden met kritiek te maken hebben als het circuit zich in een staat zou bevinden waarin het op elk moment kan overschakelen van de normale naar de chaotische modus of omgekeerd. We hebben deze verschijnselen niet opgemerkt in de onderzochte oscillatoren, " legt prof. Stanislaw Drozdz (IFJ PAN, Technische Universiteit van Krakau). "Kritische systemen hebben over het algemeen meer mogelijkheden om te reageren op veranderingen in hun eigen omgeving. Het is dus geen wonder dat kriticiteit een fenomeen is dat je in de natuur vrij vaak tegenkomt. Er zijn aanwijzingen dat het menselijk brein, bijvoorbeeld, is een systeem dat in kritieke toestand werkt."

Van bijzonder belang was een van de gevonden oscillatoren, die spanningspieken genereerde die leken op stimuli die typisch zijn voor neuronen. De overeenkomst van impulsen was hier treffend, maar niet compleet.

"Ons kunstmatige neuronanaloog bleek veel sneller te zijn dan zijn biologische tegenhanger. Pulsen werden duizenden keren vaker geproduceerd. Als het niet vanwege het gebrek aan kritiek en multi-fractaliteit was, de snelheid van werken van dit circuit zou het rechtvaardigen om over een elektronisch superneuron te praten. Misschien bestaat zo'n circuit, alleen hebben we het nog niet gevonden. Momenteel, we moeten tevreden zijn met ons 'bijna superneuron, "" zegt dr. Minati.

De fysici uit Krakau hebben ook aangetoond dat als gevolg van het paarsgewijs combineren van de gevonden circuits, gedragingen van nog grotere complexiteit verschijnen. Gekoppelde circuits werkten in sommige situaties perfect synchroon, als muzikanten die samen spelen. In bepaalde, een van de circuits nam de rol van leider over en in weer andere, de onderlinge afhankelijkheid van de oscillatoren was zo gecompliceerd dat het pas aan het licht kwam na zorgvuldige analyse van statistieken.

Om de ontwikkeling van onderzoek naar elektronische systemen die het gedrag van het menselijk brein nabootsen te versnellen, de diagrammen van alle circuits die door natuurkundigen van de IFJ PAN zijn gevonden, zijn openbaar gemaakt. Geïnteresseerden kunnen ze hier downloaden:ftp://ftp.aip.org/epaps/chaos/E-CHAOEH-27-012707