La idea simple que subyace al diseño del circuito es unir algunos osciladores de anillo que tienen longitudes iguales a los números primos impares más pequeños, como 3, 5 y 7 (arriba). Incluso una simple suma entre ondas sinusoidales que tienen tales períodos produce una señal de aspecto complicado (abajo), pero las interacciones entre osciladores reales conducen a un escenario mucho más rico. Crédito:Ludovico Minati
Los investigadores del Instituto de Tecnología de Tokio han encontrado un sencillo una forma muy versátil de generar "señales caóticas" con varias características. La técnica consiste en interconectar tres osciladores de anillo, haciéndolos competir efectivamente entre sí, controlando sus respectivas fortalezas y sus vínculos. El dispositivo resultante es bastante pequeño y eficiente, por tanto, adecuado para aplicaciones emergentes como la realización de redes inalámbricas de sensores.
La capacidad de recrear las señales que se encuentran en los sistemas naturales, como los del cerebro, enjambres y el clima, es útil para comprender los principios subyacentes. Estas señales pueden ser muy complejas, como en el caso extremo de las llamadas señales caóticas. "Caos" no significa aleatoriedad; representa un tipo de orden muy complicado. Los cambios mínimos en los parámetros de un sistema caótico pueden resultar en comportamientos muy diferentes. Las señales caóticas son difíciles de predecir, pero están presentes en muchos escenarios.
Desafortunadamente, la generación de señales caóticas con las características deseadas es una tarea difícil. Crearlos digitalmente requiere, en algunos casos, un consumo excesivo de energía, y se requieren enfoques basados en circuitos analógicos. Ahora, investigadores en Japón, Italia y Polonia proponen un nuevo enfoque para crear circuitos integrados que puedan generar señales caóticas. Esta investigación fue el resultado de una colaboración entre científicos del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech), financiado en parte por la Iniciativa World Research Hub, las universidades de Catania y Trento, Italia, y la Academia de Ciencias de Polonia en Cracovia, Polonia.
Diagrama del circuito oscilador caótico propuesto, donde las fuerzas de los osciladores de anillo y sus enlaces se controlan de forma independiente, y su diseño de prototipo (arriba). Ejemplos de tres señales generadas que tienen cualidades bastante diferentes:fluctuaciones de amplitud de ciclo, trenes de picos, y ruido (fondo). Crédito:Ludovico Minati
El equipo de investigación partió de la idea de que los ciclos que tienen períodos establecidos por números primos no pueden desarrollar una relación de fase fija. Asombrosamente, este principio parece haber surgido en la evolución de varias especies de cigarras, cuyos ciclos de vida siguen números primos de años para evitar sincronizarse entre sí y con depredadores. Por ejemplo, intenta unir osciladores con períodos establecidos en los primeros tres números primos (3, 5 y 7) da como resultado señales muy complicadas, y el caos se puede generar fácilmente (Fig. 1).
El diseño partió del oscilador más tradicional que se encuentra en los circuitos integrados, el oscilador de anillo, que es pequeño y no requiere componentes reactivos (condensadores e inductores). Dicho circuito se modificó para que las fuerzas de los osciladores de anillo que tienen tres, cinco y siete etapas se pueden controlar de forma independiente, junto con la estrechez de sus vínculos. El dispositivo podría generar señales caóticas en un amplio espectro de frecuencias, desde frecuencias audibles a la banda de radio (1 kHz a 10 MHz). "Es más, podría hacerlo con un consumo de energía bastante bajo, por debajo de una millonésima parte de un vatio, "explica el Dr. Hiroyuki Ito, jefe del laboratorio donde se diseñó el prototipo.
Aún más notable fue el descubrimiento de que se podían generar tipos de señales totalmente diferentes dependiendo de las características ligeramente diferentes de los prototipos individuales (Fig. 2). Por ejemplo, los investigadores registraron trenes de picos bastante similares a los que se encuentran en las neuronas biológicas. También encontraron situaciones en las que los anillos "lucharon entre sí" hasta el punto de suprimir casi por completo su actividad:este fenómeno se llama "muerte por oscilación".
El circuito integrado fue diseñado como una pequeña "celda" de aproximadamente 200-100 μm de tamaño (izquierda), y su primer prototipo se instaló en una placa de prueba que proporciona todas las funciones de soporte necesarias (derecha). Crédito:Hiroyuki Ito y Ludovico Minati
"Este circuito extrae su belleza de una forma y un principio realmente esenciales, y la simplicidad es clave para lograr que los grandes sistemas funcionen colectivamente de manera armoniosa, especialmente cuando se enriquece con pequeñas diferencias e imperfecciones, como los que se encuentran en los circuitos realizados, "dice el Dr. Ludovico Minati, autor principal del estudio.
El hallazgo tiene muchas aplicaciones posibles. Los investigadores trabajarán en la integración de este circuito con sensores para medir propiedades químicas en el suelo, por ejemplo. Adicionalmente, crearán redes de estos osciladores en chips de computadora individuales interconectados para parecerse a los circuitos neuronales biológicos. Esperan realizar ciertas operaciones consumiendo muchas veces menos energía que una computadora tradicional.
