Es realmente sorprendente que muchos circuitos electrónicos simples construidos con solo unos pocos componentes se comporten de manera caótica, de una manera extremadamente complicada, de manera prácticamente impredecible. Los físicos del Instituto de Física Nuclear de la Academia Polaca de Ciencias de Cracovia han descubierto, examinó y describió docenas de nuevos circuitos inusuales de este tipo. Lo que es especialmente interesante es que uno de los circuitos genera pulsos de voltaje muy similares a los que producen las neuronas, solo que lo hace mil veces más rápido.

Solo unos pocos transistores, resistencias los condensadores y las bobinas de inducción son suficientes para construir circuitos electrónicos que se comportan de una manera virtualmente impredecible. Incluso en sistemas tan simples, las oscilaciones caóticas de naturaleza compleja resultan ser la norma. En un artículo publicado en la revista Caos , los investigadores presentan 49 nuevos, osciladores electrónicos caóticos inusuales, no diseñados a propósito, pero descubierto en simulaciones por computadora.

"La electrónica generalmente se asocia con dispositivos que funcionan con precisión y siempre de acuerdo con las expectativas. Nuestra investigación muestra una imagen completamente diferente. Incluso en circuitos electrónicos que contienen solo uno o dos transistores, el caos es omnipresente. Las reacciones predecibles de los dispositivos electrónicos comunes no reflejan la naturaleza de la electrónica sino los esfuerzos de los diseñadores, "dice el primer autor del estudio, Dr. Ludovico Minati (FIP PAN).

Por el caos generalmente nos referimos a la falta de orden. En física, este concepto funciona de forma un poco diferente. Se dice que los circuitos se comportan de manera caótica cuando incluso cambios muy pequeños en los parámetros de entrada dan como resultado grandes cambios en la salida. Dado que varios tipos de fluctuaciones son una característica natural del mundo, en la práctica, Los sistemas caóticos muestran una enorme variación de comportamiento, tan grande que las predicciones precisas son muy difíciles, ya menudo imposible. Por tanto, el circuito puede parecer comportarse de forma bastante aleatoria, aunque su evolución sigue un cierto patrón complicado.

El comportamiento caótico es tan complejo que hasta el día de hoy, No existen métodos para diseñar eficazmente circuitos electrónicos de este tipo. Entonces, los investigadores abordaron el problema de manera diferente. En lugar de construir osciladores caóticos desde cero, decidieron descubrirlos. La estructura de los circuitos, compuesto por componentes disponibles comercialmente, fue mapeado como una secuencia de 85 bits. En la configuración máxima, los circuitos modelados consistían en una fuente de energía, dos transistores, una resistencia y seis condensadores o bobinas de inducción, conectado en un circuito que contiene ocho nodos. A continuación, estas cadenas de bits se sometieron a modificaciones aleatorias. Las simulaciones se realizaron en una supercomputadora Cray XD1.

"Nuestra búsqueda fue ciega, en un espacio gigantesco que ofrece 2 ⁸⁵ posibles combinaciones. Durante la simulación, analizamos más o menos 2 millones de circuitos, un área extremadamente pequeña del espacio disponible. De estos, sobre 2, 500 circuitos exhibieron un comportamiento interesante, "dice el Dr. Minati, y enfatiza que anteriormente se conocían osciladores electrónicos caóticos. Hasta ahora, sin embargo, parecía que ocurrieron en solo unas pocas variantes, y que su construcción requirió cierto esfuerzo y un sistema apropiadamente complejo.

Los investigadores analizaron el comportamiento de los nuevos circuitos utilizando el programa SPICE, de uso común en el diseño de circuitos electrónicos. Sin embargo, en el caso de comportamiento caótico, Las capacidades de simulación de SPICE resultaron insuficientes. Así que los 100 circuitos más interesantes se construyeron y probaron físicamente en el laboratorio. Para mejorar la calidad de las señales generadas durante las pruebas, los investigadores realizaron un delicado ajuste de los parámetros de los componentes. Finalmente, el número de circuitos interesantes se redujo a 49. El oscilador caótico más pequeño consistía en un transistor, un condensador, una resistencia y dos bobinas de inducción. La mayoría de los circuitos encontrados mostraron no triviales, comportamiento caótico con una escala de complejidad a veces asombrosa. Esta complejidad se puede visualizar utilizando gráficos especiales:atractores, reflejando geométricamente la naturaleza de los cambios en el circuito a lo largo del tiempo. Los análisis estadísticos de las señales generadas por los nuevos osciladores no lo hicieron, sin embargo, revelan cualquier rastro de dos características importantes que se encuentran en muchos sistemas autoorganizados:criticidad y multifractalidad.

"Podríamos hablar de multifractalidad si diferentes partes del diagrama de variación de voltaje, magnificado en diferentes lugares de diferentes maneras, reveló cambios similares a las características originales. Sucesivamente, estaríamos tratando con criticidad si el circuito estuviera en un estado en el que en cualquier momento pudiera cambiar de modo regular a caótico o viceversa. No notamos estos fenómenos en los osciladores examinados, "explica el profesor Stanislaw Drozdz (IFJ PAN, Universidad Tecnológica de Cracovia). "Los sistemas críticos generalmente tienen más oportunidades para reaccionar a los cambios en su propio entorno. Por lo tanto, no es de extrañar que la criticidad sea un fenómeno que se encuentra con bastante frecuencia en la naturaleza. La evidencia apunta al hecho de que el cerebro humano, por ejemplo, es un sistema que funciona en estado crítico ".

De particular interés fue uno de los osciladores encontrados, que genera picos de voltaje que se asemejan a los estímulos típicos de las neuronas. La similitud de impulsos fue sorprendente aquí, pero no completo.

"Nuestro análogo de neurona artificial demostró ser mucho más rápido que su contraparte biológica. Los pulsos se produjeron miles de veces más a menudo. Si no fuera por la falta de criticidad y multicifractalidad, la velocidad de funcionamiento de este circuito justificaría hablar de una superneurona electrónica. Tal vez exista tal circuito, solo que aún no lo hemos encontrado. En este momento, tenemos que estar satisfechos con nuestra 'casi superneurona, "" dice el Dr. Minati.

Los físicos con sede en Cracovia también han demostrado que, como resultado de combinar los circuitos encontrados en pares, aparecen comportamientos de una complejidad aún mayor. Los circuitos acoplados en algunas situaciones funcionaron perfectamente sincrónicos, como músicos tocando al unísono. En algunos, uno de los circuitos asumió el papel de líder y en otros más, la interdependencia mutua de los osciladores era tan complicada que sólo se reveló después de un análisis cuidadoso de las estadísticas.

Con el fin de acelerar el desarrollo de la investigación en sistemas electrónicos que simulan el comportamiento del cerebro humano, Se han hecho públicos los esquemas de todos los circuitos encontrados por físicos de la FIP PAN. Cualquier interesado puede descargarlos aquí:ftp://ftp.aip.org/epaps/chaos/E-CHAOEH-27-012707