Onderzoekers van het Tokyo Institute of Technology hebben een eenvoudige, maar toch zeer veelzijdige manier om "chaotische signalen" met verschillende functies te genereren. De techniek bestaat uit het onderling verbinden van drie ringoscillatoren, waardoor ze effectief met elkaar concurreren, terwijl ze hun respectieve sterke punten en hun verbanden beheersen. Het resulterende apparaat is vrij klein en efficiënt, dus geschikt voor opkomende toepassingen zoals het realiseren van draadloze netwerken van sensoren.

Het vermogen om de signalen te recreëren die in natuurlijke systemen worden gevonden, zoals die in de hersenen, zwermen, en het weer, is nuttig om de onderliggende principes te begrijpen. Deze signalen kunnen zeer complex zijn, zoals in het extreme geval van de zogenaamde chaotische signalen. "Chaos" betekent niet willekeur; het vertegenwoordigt een zeer gecompliceerd type bestelling. Minutieuze veranderingen in de parameters van een chaotisch systeem kunnen leiden tot sterk verschillend gedrag. Chaotische signalen zijn moeilijk te voorspellen, maar ze zijn in veel scenario's aanwezig.

Helaas, het genereren van chaotische signalen met gewenste functies is een moeilijke taak. Het digitaal maken ervan is in sommige gevallen te energie-intensief, en benaderingen op basis van analoge circuits zijn vereist. Nutsvoorzieningen, onderzoekers in Japan, Italië en Polen stellen een nieuwe aanpak voor voor het creëren van geïntegreerde schakelingen die chaotische signalen kunnen genereren. Dit onderzoek was het resultaat van een samenwerking tussen wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), gedeeltelijk gefinancierd door het World Research Hub Initiative, de universiteiten van Catania en Trento, Italië, en de Poolse Academie van Wetenschappen in Krakau, Polen.

Het onderzoeksteam ging uit van het idee dat cycli met perioden die zijn ingesteld door priemgetallen, geen vaste faserelatie kunnen ontwikkelen. Verrassend genoeg, dit principe lijkt te zijn ontstaan ​​in de evolutie van verschillende soorten krekels, wiens levenscycli priemgetallen van jaren volgen om te voorkomen dat ze met elkaar en met roofdieren synchroniseren. Bijvoorbeeld, pogingen om oscillatoren te verbinden met perioden die zijn ingesteld op de eerste drie priemgetallen (3, 5 en 7) resulteren in zeer gecompliceerde signalen, en chaos kan gemakkelijk worden gegenereerd (Fig. 1).

Het ontwerp ging uit van de meest traditionele oscillator die te vinden is in geïntegreerde schakelingen, de ringoscillator, die klein is en geen reactieve componenten vereist (condensatoren en inductoren). Een dergelijke schakeling is zodanig aangepast dat de sterktes van ringoscillatoren met drie, vijf en zeven fasen kunnen onafhankelijk worden bestuurd, samen met de strakheid van hun verbindingen. Het apparaat kan chaotische signalen genereren over een breed frequentiespectrum, van hoorbare frequenties tot de radioband (1 kHz tot 10 MHz). "Bovendien, het zou dit kunnen doen bij een vrij laag stroomverbruik, onder een miljoenste van een watt, " legt Dr. Hiroyuki Ito uit, hoofd van het laboratorium waar het prototype is ontworpen.

Nog opmerkelijker was de ontdekking dat totaal verschillende soorten signalen konden worden gegenereerd, afhankelijk van de enigszins verschillende kenmerken van de individuele prototypen (Fig. 2). Bijvoorbeeld, de onderzoekers registreerden reeksen spikes die sterk leken op die in biologische neuronen. Ze vonden ook situaties waarin de ringen "met elkaar vochten" tot het punt dat hun activiteit bijna volledig werd onderdrukt:dit fenomeen wordt "oscillatie-dood" genoemd.

"Dit circuit ontleent zijn schoonheid aan een echt essentiële vorm en principe, en eenvoud is de sleutel tot het realiseren van grote systemen die op een harmonieuze manier samenwerken, vooral wanneer het wordt verrijkt door kleine verschillen en onvolkomenheden, zoals die gevonden worden in de gerealiseerde circuits, " zegt Dr. Ludovico Minati, hoofdauteur van de studie.

De vondst kent vele mogelijke toepassingen. De onderzoekers gaan dit circuit integreren met sensoren om chemische eigenschappen in de bodem te meten, bijvoorbeeld. Aanvullend, ze zullen netwerken van deze oscillatoren creëren op enkele computerchips die onderling verbonden zijn om op biologische neurale circuits te lijken. Ze hopen bepaalde bewerkingen te realiseren terwijl ze vele malen minder stroom verbruiken dan een traditionele computer.