Los ingenieros de Tokyo Tech han encontrado un nuevo enfoque para realizar una medición en un área extendida. La técnica se basa en osciladores caóticos acoplados, que son circuitos electrónicos altamente sensibles que pueden interactuar de forma inalámbrica a través de baja frecuencia, Acoplamiento electromagnético de baja potencia. Al hacer que cada oscilador sea sensible a una cantidad de interés, como la intensidad de la luz, y esparciendo algunos de ellos lo suficientemente cerca, es posible leer estadísticas de medición útiles de su actividad colectiva.

En muchos dominios de la ingeniería y la ciencia, tomar medidas fiables en ubicaciones bien definidas es de fundamental importancia. Sin embargo, esto está cambiando en el mundo conectado de hoy en el intento de distribuir tecnología en todas partes para mejorar la sostenibilidad. Una necesidad que emerge rápidamente es la de realizar mediciones de manera eficiente sobre superficies u objetos relativamente grandes, por ejemplo, evaluar exhaustivamente el contenido de agua del suelo en toda una parcela cultivada, comprobar si hay grietas en todo el volumen de un pilar de hormigón, o detectar temblores en todos los segmentos de las extremidades de un paciente.

En esos casos, una medición tomada en un solo lugar no es suficiente. Es necesario utilizar muchos sensores, esparcidos aproximadamente uniformemente sobre el área u objeto de interés, dando lugar a un conjunto de técnicas denominadas "detección distribuida". Sin embargo, esta técnica tiene un problema potencial:leer los datos de cada sensor individual puede requerir una infraestructura y energía considerables. En situaciones donde solo se necesita calcular un valor promedio o máximo confiable, Sería preferible que los sensores pudieran simplemente interactuar entre ellos como población, efectivamente "llegar a un acuerdo" sobre las estadísticas deseadas, que luego podría leerse de una manera que no requiera interrogar a cada nodo individualmente.

Sin embargo, implementar esto electrónicamente no es fácil. La tecnología de procesamiento y radio digital es siempre una opción, pero es muy exigente en cuanto a tamaño, poder y complejidad. Un enfoque alternativo es confiar en osciladores analógicos de un tipo peculiar, que son muy simples pero dotados de una notable capacidad para generar comportamientos complejos, por separado y colectivamente:estos son los llamados osciladores caóticos. Ahora, Investigadores de Japón e Italia proponen un nuevo enfoque para la medición distribuida basado en redes de osciladores caóticos. Esta investigación fue el resultado de una colaboración entre científicos del Instituto de Tecnología de Tokio, en parte financiado por la Iniciativa World Research Hub, las universidades de Catania y Trento, Italia, y la Fundación Bruno Kessler, también en Trento, Italia.

El equipo de investigación partió de la idea de que el acoplamiento de osciladores caóticos, incluso muy débilmente como en el caso de over-the-air usando bobinas inductoras u otras antenas, les facilita la creación de una actividad colectiva significativa. Asombrosamente, principios similares parecen surgir en redes de neuronas, gente, o, Por supuesto, osciladores electrónicos, donde la actividad de sus constituyentes está sincronizada. Al hacer que cada oscilador responda a una magnitud física particular, como la intensidad de la luz, movimiento, o apertura de una grieta, es efectivamente posible engendrar una "inteligencia colectiva" a través de la sincronización, responder de manera eficaz a los cambios que enfatizan la sensibilidad a un aspecto de interés y, al mismo tiempo, son resistentes frente a perturbaciones como daños o pérdidas del sensor. Esto es similar a los principios de funcionamiento de los cerebros biológicos.

La clave para realizar el circuito propuesto fue comenzar con uno de los osciladores caóticos más pequeños conocidos, con un solo transistor bipolar, dos inductores, un condensador, y una resistencia. Este circuito, presentado hace cuatro años por el Dr. Ludovico Minati, el autor principal del estudio, fue notable por sus ricas conductas que contrastaban con su sencillez. El circuito se modificó para que pudiera ser alimentado por un panel solar compacto en lugar de una batería. y para que uno de sus inductores pueda permitir el acoplamiento a través de su campo magnético, actuando efectivamente como una antena.

Se descubrió que el dispositivo prototipo resultante producía ondas caóticas de manera confiable según el nivel de luz. Es más, acercar varios dispositivos provocaría que generen actividad consonante de una manera representativa del nivel medio de luz. "Efectivamente, podríamos hacer promedios espaciales por aire con solo un puñado de transistores. Eso es increíblemente menos en comparación con las decenas de miles que se necesitarían para implementar un procesador digital en cada nodo, "según el Dr. Hiroyuki Ito, jefe del laboratorio donde se construyó el prototipo del dispositivo, y el Dr. Korkut Tokgoz del mismo laboratorio. El diseño del circuito y los resultados se detallan cuidadosamente en el artículo del Acceso IEEE diario.

Pero quizás aún más notable fue el descubrimiento de que la mejor forma de recopilar información de estos nodos no era solo escucharlos, pero estimulándolos suavemente con una señal de "excitador", que fue generado por un circuito similar y aplicado usando una bobina grande. Dependiendo de muchos factores, como la distancia de la bobina y la configuración del circuito, fue posible crear varios comportamientos en respuesta al nivel y patrón de iluminación. En algunas situaciones el efecto fue una mayor sincronización, en otros, sincronización disipada; similar, Hubo casos en los que un sensor "empujaría" toda la red hacia irregular, oscilación caótica, y otros cuando sucedió lo contrario.

Más importante, los investigadores obtuvieron medidas precisas y robustas de los sensores a través de la actividad del circuito "excitador" que actúa como un proxy. Debido a que proporcionar la señal del excitador permite la observación de muchas dinámicas que de otro modo estarían "ocultas" dentro de los nodos del sensor, los investigadores sintieron que se parecía al proceso de regar los botones florales para que pudieran abrirse en una flor (una característica colectiva). Los circuitos del sensor y del excitador se denominaron respectivamente "Tsubomi" y "Ame, "las palabras para" capullo de flor "y" lluvia "en japonés." Debido a que es fácil aplicar este enfoque con muchos sensores que interactúan colectivamente en la escala de un cuerpo humano, en el futuro, nos gustaría aplicar esta nueva técnica para leer movimientos sutiles y señales biológicas, "explica el Prof. Yasuharu Koike y el Dr. Natsue Yoshimura, del laboratorio de Biointerfaces donde se realizaron algunas pruebas de concepto.

"Este circuito extrae su belleza de un diseño verdaderamente minimalista suavemente sintonizado para operar colectivamente de una manera armoniosa, dando lugar a algo que es mucho más que los componentes individuales, como cómo una miríada de pequeños pétalos crea una flor, "dice el Dr. Ludovico Minati, cuya investigación está ahora totalmente dedicada a la aparición de circuitos electrónicos no lineales. Esta, el explica, es otro ejemplo más de cómo la naturaleza puede inspirar y guiar nuevos enfoques de ingeniería, menos basado en especificaciones prescriptivas y más enfocado en comportamientos emergentes. Las dificultades encontradas al aplicar este enfoque siguen siendo considerables, pero las recompensas potenciales son enormes en términos de realizar funciones complejas de la manera más económica y sostenible. "La integración multidisciplinaria es realmente la clave del éxito de una investigación previa como esta, "señala el profesor Mattia Frasca de la Universidad de Catania, Italia, cuyo trabajo en circuitos y redes complejos fue una base fundamental para esta investigación colaborativa.