Varje sensornod består av en krets gjord av bara en solcellskälla, ett variabelt motstånd, en kondensator, två induktorer och en bipolär transistor (överst). En induktor realiseras som ett tryckt lager på kretskortet och används för koppling (botten, vänster). Den övergripande designen är ganska kompakt, med majoriteten av 32 × 32 mm skivarean som tas upp av solcellerna. Kredit:Minati L
Ingenjörer vid Tokyo Tech har hittat ett nytt tillvägagångssätt för att göra en mätning över ett större område. Tekniken är baserad på kopplade kaotiska oscillatorer, som är mycket känsliga elektroniska kretsar som kan interagera trådlöst genom lågfrekventa, lågeffekt elektromagnetisk koppling. Genom att göra varje oscillator känslig för en mängd av intresse, såsom ljusintensitet, och sprider ett antal av dem tillräckligt nära, det är möjligt att läsa ut användbar mätstatistik från deras samlade verksamhet.
Inom många områden av teknik och vetenskap, att göra tillförlitliga mätningar på väldefinierade platser är fundamentalt viktigt. Dock, detta förändras i dagens uppkopplade värld i försöket att distribuera teknik överallt för att förbättra hållbarheten. Ett snabbt växande behov är att effektivt göra mätningar över relativt stora ytor eller föremål, till exempel, omfattande bedömning av markvatteninnehållet över en hel odlad tomt, kontrollerar sprickor i hela volymen av en betongpelare, eller känner av skakningar över alla lemsegment hos en patient.
I sådana fall, Det räcker inte med en mätning på en enda plats. Det finns ett behov av att använda många sensorer, spridda ungefär jämnt över området eller föremålet av intresse, ger upphov till en uppsättning tekniker som kallas "distribuerad avkänning". Dock, den här tekniken har ett potentiellt problem:att läsa ut data från varje enskild sensor kan kräva avsevärd infrastruktur och kraft. I situationer där endast ett tillförlitligt medelvärde eller maximalt värde behöver beräknas, det skulle vara att föredra om sensorer helt enkelt kunde interagera mellan sig själva som en befolkning, att effektivt "komma till en överenskommelse" om den önskade statistiken, som sedan skulle kunna läsas upp på ett sätt som inte kräver att varje nod förfrågas individuellt.
Dock, att implementera detta elektroniskt är inte lätt. Digital radio och processteknik är alltid ett alternativ, men är väldigt krävande vad gäller storlek, kraft och komplexitet. Ett alternativt tillvägagångssätt är att förlita sig på analoga oscillatorer av en speciell typ, som är mycket enkla men utrustade med en anmärkningsvärd förmåga att skapa komplexa beteenden, separat och kollektivt:Dessa är så kallade kaotiska oscillatorer. Nu, forskare i Japan och Italien föreslår en ny metod för distribuerad mätning baserad på nätverk av kaotiska oscillatorer. Denna forskning var resultatet av ett samarbete mellan forskare från Tokyo Institute of Technology, delvis finansierat av World Research Hub Initiative, universiteten i Catania och Trento, Italien, och Bruno Kessler Foundation, även i Trento, Italien.
Som en funktion av ljusintensiteten, dynamiken för varje sensornod kan ändras från periodisk (svag belysning) till markant kaotisk (stark belysning). Rekonstruktion av signalens temporala bana (känd som attraherande) avslöjade en karakteristisk snigelliknande form, som var liknande bland de fysiskt realiserade brädor, och styrelser tillät således synkronisering att uppstå mellan dem. Kredit:Minati L
Forskargruppen utgick från idén att koppling av kaotiska oscillatorer, även mycket svagt som i fallet med over-the-air med induktorspolar eller andra antenner, gör det lätt för dem att skapa meningsfull kollektiv aktivitet. Förvånande, liknande principer verkar uppstå i nätverk av neuroner, människor, eller, verkligen, elektroniska oscillatorer, varvid aktiviteten hos deras beståndsdelar är synkroniserad. Genom att göra varje oscillator känslig för en viss fysisk storlek, såsom ljusintensitet, rörelse, eller öppnande av en spricka, det är effektivt möjligt att skapa en "kollektiv intelligens" via synkronisering, reagerar effektivt på förändringar som betonar känsligheten för en aspekt av intresse samtidigt som den är robust mot störningar som sensorskador eller förluster. Detta liknar funktionsprinciperna för biologiska hjärnor.
Nyckeln till att förverkliga den föreslagna kretsen var att starta från en av de minsta kända kaotiska oscillatorerna, involverar bara en enda bipolär transistor, två induktorer, en kondensator, och ett motstånd. Denna krets, introducerades för fyra år sedan av Dr. Ludovico Minati, huvudförfattaren till studien, var anmärkningsvärt för sina rika beteenden som stod i kontrast till dess enkelhet. Kretsen modifierades så att den kunde drivas av en kompakt solpanel snarare än ett batteri, och så att en av dess induktorer kunde möjliggöra koppling via dess magnetfält, fungerar effektivt som en antenn.
I denna konstnärs intryck, ljuskänsliga noder är utspridda över en odlad åker. Tack vare kopplingsmekanismen, var och en kan endast interagera med dem som står den närmast, men kollektivt uppstår en sammanhängande verksamhet. Eftersom den senare är liknande bland noderna, det räcker att spela in en signal från en av dem för att få en uppskattning av belysningsnivån över hela ytan. Den här situationen, där "helheten finns i varje del" gör det lättare att utföra en mätning, jämfört med att behöva komma åt varje sensor direkt. Kredit:Minati L
Den resulterande prototypen visade sig på ett tillförlitligt sätt producera kaotiska vågor beroende på ljusnivån. Dessutom, att föra flera enheter närmare skulle få dem att generera konsonantaktivitet på ett sätt som är representativt för den genomsnittliga ljusnivån. "Effektivt vi skulle kunna göra rumslig medelvärde över luften med bara en handfull transistorer. Det är otroligt färre jämfört med de tiotusentals som skulle krävas för att implementera en digital processor vid varje nod, " enligt Dr Hiroyuki Ito, chef för laboratoriet där enhetens prototyp byggdes, och Dr. Korkut Tokgoz från samma laboratorium. Kretsdesignen och resultaten beskrivs noggrant i artikeln i IEEE Access tidning.
Men kanske ännu mer anmärkningsvärt var upptäckten att det bästa sättet att hämta information från dessa noder inte bara var att lyssna på dem, men stimulerar dem försiktigt med en "exciter"-signal, som genererades av en liknande krets och applicerades med hjälp av en stor spole. Beroende på många faktorer, såsom spolavstånd och kretsinställningar, det var möjligt att skapa olika beteenden som svar på nivån och mönstret av belysning. I vissa situationer, effekten var en ökad synkronisering, i andra, försvagad synkronisering; liknande, det fanns fall där en sensor skulle "dra" hela nätverket mot oregelbundet, kaotisk svängning, och andra när det motsatta hände.
Viktigast, forskarna fick noggranna och robusta mätningar från sensorerna via aktiviteten hos "exciter"-kretsen som fungerade som en proxy. Eftersom att tillhandahålla excitersignalen tillåter observation av många dynamik som annars är "dolda" inuti sensornoderna, forskarna ansåg att det liknade processen att vattna blomknoppar så att de kunde öppna sig till en blomma (ett kollektivt inslag). Sensor- och exciteringskretsarna döptes till "Tsubomi" respektive "Ame, " orden för "blomknopp" och "regn" på japanska. "Eftersom det är lätt att tillämpa detta tillvägagångssätt med många sensorer som interagerar kollektivt på en människokropps skala, i framtiden, vi skulle vilja använda denna nya teknik för att läsa ut subtila rörelser och biologiska signaler, " förklarar Prof. Yasuharu Koike och Dr. Natsue Yoshimura, från Biointerfaces-laboratoriet där några proof-of-concept-tester genomfördes.
"Denna krets hämtar sin skönhet från en verkligt minimalistisk design som är försiktigt anpassad för att fungera kollektivt på ett harmoniskt sätt, ger upphov till något som är så mycket mer än de enskilda komponenterna, som hur en myriad av små kronblad skapar en blomning, " säger Dr Ludovico Minati, vars forskning nu helt och hållet ägnas åt framväxten i olinjära elektroniska kretsar. Detta, han förklarar, är ytterligare ett exempel på hur naturen kan inspirera och vägleda nya tekniska tillvägagångssätt, mindre grundad i föreskrivande specifikationer och mer fokuserad på framväxande beteenden. Svårigheterna som uppstår vid tillämpningen av detta tillvägagångssätt är fortfarande betydande, men de potentiella belöningarna är enorma när det gäller att realisera komplexa funktioner på det mest ekonomiska och hållbara sättet. "Mångvetenskaplig integration är verkligen nyckeln till framgång för prekursorforskning som den här, " konstaterar prof. Mattia Frasca från University of Catania, Italien, vars arbete med komplexa kretsar och nätverk var en grundläggande bas för denna samarbetsforskning.
