Ingenieurs van de Tokyo Tech hebben een nieuwe benadering gevonden voor het uitvoeren van metingen over een groter gebied. De techniek is gebaseerd op gekoppelde chaotische oscillatoren, dit zijn zeer gevoelige elektronische circuits die draadloos kunnen communiceren via laagfrequente, elektromagnetische koppeling met laag vermogen. Door elke oscillator gevoelig te maken voor een hoeveelheid van belang, zoals lichtintensiteit, en een aantal van hen voldoende dicht te verspreiden, het is mogelijk om bruikbare meetstatistieken uit hun collectieve activiteit uit te lezen.

In veel domeinen van techniek en wetenschap, betrouwbare metingen doen op goed afgebakende locaties is van fundamenteel belang. Echter, dit verandert in de verbonden wereld van vandaag in de poging om technologie overal te verspreiden voor het verbeteren van duurzaamheid. Een snel opkomende behoefte is om efficiënt te kunnen meten over relatief grote oppervlakken of objecten, bijvoorbeeld, een uitgebreide beoordeling van het bodemwatergehalte over een volledig gecultiveerd perceel, controleren op scheuren door het hele volume van een betonnen pilaar, of het waarnemen van trillingen in alle ledemaatsegmenten bij een patiënt.

In dergelijke gevallen, een meting op één locatie is niet voldoende. Er zijn veel sensoren nodig, ongeveer gelijkmatig verspreid over het gebied of object van belang, wat aanleiding gaf tot een reeks technieken die 'distributed sensing' worden genoemd. Echter, deze techniek heeft een potentieel probleem:het uitlezen van gegevens van elke afzonderlijke sensor kan aanzienlijke infrastructuur en stroom vergen. In situaties waar alleen een betrouwbare gemiddelde of maximale waarde hoeft te worden berekend, het zou de voorkeur hebben als sensoren als populatie eenvoudig met elkaar zouden kunnen interageren, effectief "tot een akkoord komen" over de gewenste statistieken, die dan kan worden uitgelezen op een manier waarbij niet elk knooppunt afzonderlijk hoeft te worden ondervraagd.

Echter, dit elektronisch implementeren is niet eenvoudig. Digitale radio en verwerkingstechnologie is altijd een optie, maar is zeer veeleisend in termen van grootte, kracht en complexiteit. Een alternatieve benadering is om te vertrouwen op analoge oscillatoren van een eigenaardig type, die heel eenvoudig zijn maar begiftigd met een opmerkelijk vermogen om complex gedrag te genereren, afzonderlijk en gezamenlijk:Dit zijn zogenaamde chaotische oscillatoren. Nutsvoorzieningen, onderzoekers in Japan en Italië stellen een nieuwe benadering voor van gedistribueerde metingen op basis van netwerken van chaotische oscillatoren. Dit onderzoek was het resultaat van een samenwerking tussen wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology, gedeeltelijk gefinancierd door het World Research Hub Initiative, de universiteiten van Catania en Trento, Italië, en de Bruno Kessler Stichting, ook in Trente, Italië.

Het onderzoeksteam ging uit van het idee dat het koppelen van chaotische oscillatoren, zelfs zeer zwak zoals in het geval van over-the-air met behulp van inductorspoelen of andere antennes, maakt het voor hen gemakkelijk om zinvolle collectieve activiteiten te creëren. Verrassend genoeg, soortgelijke principes lijken te ontstaan ​​in netwerken van neuronen, mensen, of, inderdaad, elektronische oscillatoren, waarbij de activiteit van hun bestanddelen is gesynchroniseerd. Door elke oscillator te laten reageren op een bepaalde fysieke grootte, zoals de lichtintensiteit, beweging, of het openen van een scheur, het is effectief mogelijk om via synchronisatie een "collectieve intelligentie" te genereren, effectief reageren op veranderingen die de gevoeligheid voor een aspect van belang benadrukken en tegelijkertijd robuust zijn tegen verstoringen zoals sensorbeschadiging of verlies. Dit is vergelijkbaar met de werkingsprincipes van biologische hersenen.

De sleutel tot het realiseren van de voorgestelde schakeling was om uit te gaan van een van de kleinste bekende chaotische oscillatoren, met slechts een enkele bipolaire transistor, twee inductoren, een condensator, en een weerstand. Dit circuit, vier jaar geleden geïntroduceerd door Dr. Ludovico Minati, de hoofdauteur van de studie, was opmerkelijk vanwege zijn rijke gedrag dat contrasteerde met zijn eenvoud. Het circuit werd aangepast zodat het kon worden gevoed door een compact zonnepaneel in plaats van een batterij, en zodat een van zijn inductoren koppeling via zijn magnetisch veld mogelijk zou maken, effectief als een antenne.

Het resulterende prototype-apparaat bleek op betrouwbare wijze chaotische golven te produceren, afhankelijk van het lichtniveau. Bovendien, door meerdere apparaten dichterbij te brengen, zouden ze medeklinkeractiviteit genereren op een manier die representatief is voor het gemiddelde lichtniveau. "Effectief, we zouden ruimtelijke middeling via de ether kunnen doen met slechts een handvol transistors. Dat is ongelooflijk minder vergeleken met de tienduizenden die nodig zouden zijn om een ​​digitale processor op elk knooppunt te implementeren, " volgens Dr. Hiroyuki Ito, hoofd van het laboratorium waar het prototype van het apparaat werd gebouwd, en Dr. Korkut Tokgoz van hetzelfde laboratorium. Het circuitontwerp en de resultaten worden zorgvuldig beschreven in het artikel in de IEEE-toegang logboek.

Maar misschien nog opmerkelijker was de ontdekking dat de beste manier om informatie uit deze knooppunten te halen, niet alleen was om ernaar te luisteren, maar ze zachtjes stimuleren met een "opwinder"-signaal, die werd gegenereerd door een soortgelijk circuit en toegepast met behulp van een grote spoel. Afhankelijk van vele factoren, zoals spoelafstand en circuitinstellingen, het was mogelijk om verschillende gedragingen te creëren in reactie op het niveau en patroon van verlichting. In sommige situaties, het effect was een verhoogde synchronisatie, In andere, gedissipeerde synchronisatie; evenzo, er waren gevallen waarin één sensor het hele netwerk naar onregelmatig, chaotische oscillatie, en anderen wanneer het tegenovergestelde gebeurde.

Het belangrijkste is, de onderzoekers verkregen nauwkeurige en robuuste metingen van de sensoren via de activiteit van het "exciter" -circuit dat als een proxy fungeert. Omdat het leveren van het bekrachtigingssignaal het mogelijk maakt om veel dynamiek te observeren die anders "verborgen" is in de sensorknooppunten, de onderzoekers vonden dat het leek op het proces van het water geven van bloemknoppen zodat ze zich konden openen in een bloesem (een collectief kenmerk). De sensor- en bekrachtigingscircuits werden respectievelijk "Tsubomi" en "Ame" genoemd, "De woorden voor "bloemknop" en "regen" in het Japans. "Omdat het gemakkelijk is om deze benadering toe te passen met veel sensoren die gezamenlijk op de schaal van een menselijk lichaam interageren, in de toekomst, we willen deze nieuwe techniek toepassen voor het uitlezen van subtiele bewegingen en biologische signalen, " verklaren Prof. Yasuharu Koike en Dr. Natsue Yoshimura, van het Biointerfaces-laboratorium waar enkele proof-of-concept-tests werden uitgevoerd.

"Dit circuit ontleent zijn schoonheid aan een echt minimalistisch ontwerp dat zacht is afgestemd om op een harmonieuze manier collectief te werken, aanleiding geven tot iets dat zoveel meer is dan de afzonderlijke componenten, zoals hoe een groot aantal kleine bloemblaadjes een bloesem creëert, " zegt Dr. Ludovico Minati, wiens onderzoek nu volledig is gewijd aan het ontstaan ​​in niet-lineaire elektronische circuits. Dit, hij legt uit, is nog een ander voorbeeld van hoe de natuur nieuwe technische benaderingen kan inspireren en begeleiden, minder gebaseerd op prescriptieve specificaties en meer gericht op opkomend gedrag. De moeilijkheden bij het toepassen van deze benadering blijven aanzienlijk, maar de potentiële voordelen zijn enorm om complexe functies op de meest economische en duurzame manier te realiseren. "Multidisciplinaire integratie is echt de sleutel tot succes van vooronderzoek zoals dit, " merkt prof. Mattia Frasca van de Universiteit van Catania op, Italië, wiens werk aan complexe circuits en netwerken een fundamentele basis vormde voor dit gezamenlijke onderzoek.