В таких случаях измерения, проведенного в одном месте, недостаточно. Существует необходимость в использовании множества датчиков, примерно равномерно разбросанных по интересующей области или объекту, что дает начало набору методов, называемых «распределенное зондирование».«Однако у этого метода есть потенциальная проблема: считывание данных с каждого отдельного датчика может потребовать значительной инфраструктуры и мощности. Особенно в ситуациях, когда необходимо вычислить только надежное среднее или максимальное значение, было бы предпочтительнее, если бы датчики могли просто взаимодействовать между собой как совокупность, эффективно «приходя к соглашению» по желаемой статистике, которую затем можно было бы считывать в способ, который не требует индивидуального опроса каждого узла.
Однако реализовать это в электронном виде непросто. Цифровое радио и технология обработки всегда возможны, но они очень требовательны к размеру, мощности и сложности. Альтернативный подход заключается в использовании аналоговых осцилляторов особого типа, которые очень просты, но наделены замечательной способностью генерировать сложные модели поведения по отдельности и вместе: так называемые «хаотические осцилляторы»."Теперь исследователи из Японии и Италии предлагают новый подход к распределенным измерениям, основанный на сетях хаотических осцилляторов. Это исследование стало результатом сотрудничества ученых из Токийского технологического института, частично финансируемого World Research Hub Initiative, университетами Катании и Тренто, Италия, и Фондом Бруно Кесслера, также в Тренто, Италия.
Исследовательская группа исходила из идеи, представленной в предыдущем исследовании, что связь хаотических генераторов, даже очень слабая, как в случае передачи по воздуху с использованием катушек индуктивности или других антенн, позволяет им легко создавать значимую коллективную деятельность. Удивительно, но похожие принципы, похоже, возникают в сетях нейронов, людей или, действительно, электронных осцилляторов, в которых активность их составляющих синхронизирована. Делая каждый осциллятор чувствительным к определенной физической величине, такой как интенсивность света, движение или раскрытие трещины, можно эффективно создать «коллективный разум» через синхронизацию, эффективно реагируя на изменения, которые подчеркивают чувствительность к одному из аспектов интерес, будучи устойчивым к возмущениям, таким как повреждение или потеря датчика.
Это похоже на принципы функционирования биологического мозга.
Ключ к реализации предложенной схемы состоял в том, чтобы начать с одного из самых маленьких известных хаотических генераторов, включающего только один биполярный транзистор, две катушки индуктивности, один конденсатор и один резистор. Эта схема, представленная четыре года назад доктором. Людовико Минати, ведущий автор исследования и его коллеги, отличался богатым поведением, которое контрастировало с его простотой.
Такая схема была модифицирована так, чтобы ее источником питания была компактная солнечная панель, а не батарея, и чтобы один из ее индукторов мог обеспечивать связь через свое магнитное поле, эффективно действуя как антенна. Было обнаружено, что полученный прототип устройства может надежно генерировать хаотические волны в зависимости от уровня освещенности.
Более того, если поднести несколько устройств ближе, они будут генерировать согласные звуки, характерные для среднего уровня освещенности. "По сути, мы могли бы выполнять пространственное усреднение по воздуху, используя всего несколько транзисторов. Это невероятно меньше по сравнению с десятками тысяч, которые потребовались бы для внедрения цифрового процессора на каждом узле », – объясняют вместе Dr. Хироюки Ито, руководитель лаборатории, где был построен прототип устройства, и доктор. Коркут Токгоз из той же лаборатории.
Схема и результаты подробно описаны в статье, недавно появившейся в журнале IEEE Access.
Но, возможно, еще более примечательным было открытие, что лучший способ сбора информации от этих узлов – это не просто слушать их, а мягко стимулировать их с помощью «возбуждающего» сигнала, генерируемого аналогичной схемой и применяемого с помощью большой катушки. В зависимости от многих факторов, таких как расстояние катушки и настройки схемы, можно было создать различное поведение в зависимости от уровня и схемы освещения.
В одних ситуациях эффект проявлялся в усилении синхронизации, в других – в ее рассеянии; аналогично, были случаи, когда один датчик «тянул» всю сеть к нерегулярным, хаотическим колебаниям, а другие, когда происходило обратное. Что наиболее важно, точные и надежные измерения могут быть получены от датчиков через активность схемы "возбудителя", действующей в качестве прокси-сервера.
Поскольку подача возбуждающего сигнала позволяет наблюдать многие аспекты динамики, которые иначе «скрыты» внутри сенсорных узлов, исследователи сочли, что это похоже на процесс полива цветочных бутонов, чтобы они могли раскрыться и образовать цветок (коллективная особенность). Цепи датчика и возбудителя были соответственно названы «Цубоми» и «Аме», что на японском означает «бутон цветка» и «дождь». «Поскольку этот подход легко применить со многими датчиками, взаимодействующими коллективно в масштабе человеческого тела, в будущем мы хотели бы применить эту новую технику для считывания тонких движений и биологических сигналов», – объясняет проф. Ясухару Койке и доктор. Нацуэ Ёсимура, из лаборатории биоинтерфейсов, где были проведены некоторые контрольные тесты.
«Эта схема черпает свою красоту в поистине минималистичном дизайне, мягко настроенном для совместной работы в гармонии, порождая нечто гораздо большее, чем отдельные компоненты, например, как мириады маленьких цветков создают цветок», – говорит доктор. Людовико Минати, все исследования которого теперь посвящены появлению в нелинейных электронных схемах. Он объясняет, что это еще один пример того, как Природа может вдохновлять и направлять новые инженерные подходы, менее основанные на предписывающих спецификациях и более ориентированные на возникающие формы поведения.
Трудности, возникающие при применении этого подхода, остаются значительными, но потенциальные выгоды огромны с точки зрения реализации сложных функций наиболее экономичным и устойчивым образом. «Междисциплинарная интеграция – действительно ключ к успеху таких предварительных исследований, как это», – отмечает проф. Маттиа Фраска из Университета Катании, Италия, чья работа над сложными схемами и сетями явилась фундаментальной основой для этого совместного исследования.