Het toevoegen van ruis om een ​​zwak signaal te versterken is een waarnemingsfenomeen dat veel voorkomt in de dierenwereld, maar ongebruikelijk is in door de mens gemaakte sensoren. Nu hebben onderzoekers van Penn State een kleine hoeveelheid achtergrondruis toegevoegd om zeer zwakke signalen te versterken in een lichtbron die te zwak is om waar te nemen.

In tegenstelling tot de meeste sensoren, waarvoor ruis een probleem is dat moet worden onderdrukt, ze ontdekten dat het toevoegen van precies de juiste hoeveelheid achtergrondgeluid een signaal kan versterken dat te zwak is voor waarneming door normale sensoren, tot een niveau dat detecteerbaar is.

Hoewel hun sensor, gebaseerd op een tweedimensionaal materiaal genaamd molybdeendisulfide, detecteert licht, hetzelfde principe kan worden gebruikt om andere signalen te detecteren, en omdat het zeer weinig energie en ruimte vereist in vergelijking met conventionele sensoren, brede aanpassing zou kunnen vinden in het komende Internet of Things (IoT). IoT zal tientallen miljoenen sensoren inzetten om de omstandigheden in huis en fabrieken te monitoren, en een lage energiebehoefte zou een sterke bonus zijn.

"Dit fenomeen zie je vaak in de natuur, " zegt Saptarshi Das, een assistent-professor in de ingenieurswetenschappen en mechanica. "Bijvoorbeeld, een peddelvis die in modderige wateren leeft, kan zijn voedsel niet echt vinden, dat is een fytoplankton genaamd Daphnia, op zicht. De peddelvis heeft elektroreceptoren die een zeer zwak elektrisch signaal van de Daphnia tot 50 meter kunnen opvangen. Als je een beetje ruis toevoegt, hij kan de Daphnia vinden op 75 meter of zelfs 100 meter. Dit vermogen draagt ​​bij aan het evolutionaire succes van dit dier."

Een ander interessant voorbeeld is de juweelkever, die een bosbrand op 50 mijl afstand kan detecteren. De meest geavanceerde infrarooddetector kan alleen detecteren op 10 tot 20 mijl. Dit komt door een fenomeen dat deze dieren gebruiken, stochastische resonantie genoemd.

"Stochastische resonantie is een fenomeen waarbij een zwak signaal dat onder de detectiedrempel van een sensor ligt, kan worden gedetecteerd in de aanwezigheid van een eindige en geschikte hoeveelheid ruis, " volgens Akhil Dodda, een afgestudeerde student in technische wetenschappen en mechanica en co-eerste auteur van een nieuw artikel dat deze week verschijnt in Natuurcommunicatie .

In hun krant de onderzoekers demonstreren het eerste gebruik van deze techniek om een ​​subthreshold fotonisch signaal te detecteren.

Een mogelijk gebruik dat wordt overwogen, is voor troepen in gevecht. Legerpersoneel in het veld heeft al zeer omvangrijke uitrusting bij zich. Het is onhaalbaar om de zware, energieverslindende apparatuur die nodig is om een ​​subdrempelsignaal te versterken. Hun techniek is ook toepasbaar in omgevingen met beperkte middelen of onder de oceaan waar mensen zeer zwakke signalen willen volgen. Het kan ook worden gebruikt op vulkanische locaties of om aardbevingen op tijd te volgen om een ​​alarm te geven.

"Wie had gedacht dat ruis een constructieve rol zou kunnen spelen bij signaaldetectie? We hebben de traditie uitgedaagd om anders niet-detecteerbare signalen te detecteren met een minuscuul energieverbruik. Dit kan deuren openen naar een totaal onontgonnen en genegeerd veld van ruis, verbeterde signaaldetectie, " zei Aaryan Oberoi, een afgestudeerde student van de afdeling Ingenieurswetenschappen en Mechanica en co-eerste auteur op het papier.

Hun volgende stap is om deze techniek te demonstreren op een silicium fotodiode, wat het apparaat zeer schaalbaar zou maken. Elke state-of-the-art sensor kan worden verbeterd door dit concept, zegt Das.