Att lägga till brus för att förstärka en svag signal är ett avkänningsfenomen som är vanligt i djurvärlden men ovanligt i konstgjorda sensorer. Nu har forskare från Penn State lagt till en liten mängd bakgrundsljud för att förstärka mycket svaga signaler i en ljuskälla som är för svag för att kännas av.

Till skillnad från de flesta sensorer, för vilka buller är ett problem som bör undertryckas, de fann att att lägga till precis rätt mängd bakgrundsljud faktiskt kan öka en signal som är för svag för avkänning av normala sensorer, till en nivå som kan nå detekterbarhet.

Även om deras sensor, baserat på ett tvådimensionellt material som kallas molybdendisulfid, upptäcker ljus, samma princip kan användas för att detektera andra signaler, och eftersom det kräver mycket lite energi och utrymme jämfört med konventionella sensorer, kan hitta bred anpassning i det kommande Internet of Things (IoT). IoT kommer att distribuera tiotals miljoner sensorer för att övervaka förhållandena i hemmet och fabrikerna, och låga energikrav skulle vara en stark bonus.

"Detta fenomen är något som ofta ses i naturen, " säger Saptarshi Das, en biträdande professor i ingenjörsvetenskap och mekanik. "Till exempel, en paddlefish som lever i leriga vatten kan faktiskt inte hitta sin mat, som är ett växtplankton som heter Daphnia, genom syn. Skovelfisken har elektroreceptorer som kan ta upp mycket svaga elektriska signaler från Daphnia på upp till 50 meter. Om du lägger till lite brus, den kan hitta Daphnia på 75 meter eller till och med 100 meter. Denna förmåga bidrar till detta djurs evolutionära framgång."

Ett annat intressant exempel är juvelbaggen, som kan upptäcka en skogsbrand på 50 mils avstånd. Den mest avancerade infraröda detektorn kan bara detektera på 10 till 20 miles. Detta beror på ett fenomen som dessa djur använder som kallas stokastisk resonans.

"Stokastisk resonans är ett fenomen där en svag signal som ligger under detektionströskeln för en sensor kan detekteras i närvaro av en ändlig och lämplig mängd brus, " enligt Akhil Dodda, en doktorand i ingenjörsvetenskap och mekanik och medförfattare på ett nytt papper som dyker upp den här veckan i Naturkommunikation .

I deras tidning, forskarna visar den första användningen av denna teknik för att detektera en fotonisk signal under tröskelvärdet.

En möjlig användning som övervägs är för trupper i strid. Armépersonal på fältet bär redan mycket skrymmande utrustning. Det är omöjligt att lägga till det tunga, strömkrävande utrustning som krävs för att förbättra en undertröskelsignal. Deras teknik är också användbar i resursbegränsade miljöer eller under havet där människor vill övervaka mycket svaga signaler. Den kan också användas på vulkaniska platser eller för att övervaka jordbävningar i tid för att ge ett larm.

"Vem skulle ha trott att brus kunde spela en konstruktiv roll vid signaldetektering? Vi har utmanat traditionen att detektera annars oupptäckbara signaler med minimal energiförbrukning. Detta kan öppna dörrar till ett totalt outforskat och ignorerat område av brusförstärkt signaldetektering, sade Aaryan Oberoi, en doktorand från Institutionen för ingenjörsvetenskap och mekanik och medförfattare på uppsatsen.

Deras nästa steg är att demonstrera denna teknik på en kiselfotodiod, vilket skulle göra enheten väldigt skalbar. Alla toppmoderna sensorer kan förbättras med detta koncept, säger Das.