2020-03-25 20:29:01
使用许多振荡器的同步感应方法繁花似锦

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东京理工大学的工程师发现了一种新方法,可以在更大的范围内进行测量。该技术基于耦合混沌振荡器,它是高度敏感的电子电路,可以通过低频,低功率电磁耦合进行无线交互。通过使每个振荡器对感兴趣的数量(例如光强度)敏感,并充分紧密地散射它们,可以从它们的集体活动中读出有用的测量统计数据。

在工程和科学的许多领域中,在定义明确的位置进行可靠的测量至关重要。但是,在当今互联互通的世界中,这种情况正在发生变化,试图将技术分布到各处以提高可持续性。一个迅速出现的需求是,需要在相对较大的表面或物体上进行有效的测量,例如,全面评估整个耕地中的土壤水分,检查混凝土柱整个体积上的裂缝或感测四肢的震颤。病人中的段。

在这种情况下,在单个位置进行的测量是不够的。需要使用许多传感器,这些传感器大致均匀地散布在感兴趣的区域或目标上,从而产生了一套称为“分布式感测”的技术。但是,该技术存在潜在的问题:从每个单独的传感器中读取数据可能需要大量的基础架构和功能。在仅需要计算可靠的平均值或最大值的情况下,最好是传感器可以简单地作为一个整体在它们自己之间进行交互,从而有效地“达成共识”所需的统计数据,然后可以将其读出来。不需要单独询问每个节点的方式。

但是,以电子方式实现这一点并不容易。数字无线电和处理技术始终是一种选择,但是在尺寸,功率和复杂性方面要求很高。另一种方法是依靠特殊类型的模拟振荡器,该模拟振荡器非常简单,但是具有显着的能力,可以单独和集体产生复杂的行为:这些就是所谓的混沌振荡器。现在,日本和意大利的研究人员提出了一种基于混沌振荡器网络的分布式测量新方法。这项研究是东京工业大学的科学家之间合作的结果,该研究由世界研究中心计划,卡塔尼亚大学和意大利特伦托大学以及意大利特伦托的布鲁诺·凯斯勒基金会共同资助。

研究小组从这样的想法开始,即耦合混沌振荡器,即使在使用感应线圈或其他天线进行空中传输时,即使非常弱,也可以使它们容易地产生有意义的集体活动。令人惊讶地,类似的原理似乎出现在神经元,人或实际上是电子振荡器的网络中,其中其成分的活动是同步的。通过使每个振荡器对特定的物理量(例如光强度,运动或裂缝的打开)做出响应,可以有效地通过同步产生“集体智慧”,从而有效地响应那些强调对感兴趣方面的敏感性的变化同时对诸如传感器损坏或丢失之类的干扰具有鲁棒性。这类似于生物大脑的功能原理。

实现所建议电路的关键是从已知的最小的混沌振荡器之一开始,该振荡器仅包含一个双极晶体管,两个电感器,一个电容器和一个电阻器。该研究的主要作者卢多维科·米纳蒂(Ludovico Minati)博士于4年前提出了该电路,该电路以其丰富的行为与简单而形成鲜明对比。对该电路进行了修改,使其可以由紧凑的太阳能电池板而不是电池供电,并且其电感器之一可以通过其磁场实现耦合,从而有效地充当天线。

发现所得到的原型设备根据光的强度可靠地产生混沌波。而且,将多个设备靠近会导致它们以代表平均亮度的方式产生辅音活动。 “实际上,我们只需几个晶体管就可以在空中进行空间平均。与在每个节点上实现数字处理器所需的成千上万相比,这要少得多”,Hiroyuki Ito博士说设备原型制造所在的实验室,以及同一实验室的Korkut Tokgoz博士。电路设计和结果在IEEE Access杂志上的文章中进行了详细介绍。

但是,也许更引人注目的发现是,从这些节点收集信息的最佳方法不仅是听他们的声音,而是用“激励”信号轻轻刺激它们,该信号由类似的电路产生并使用大线圈施加。取决于许多因素,例如线圈距离和电路设置,有可能响应于照明的水平和模式而产生各种行为。在某些情况下,其效果是增加了同步,而在其他情况下,则导致了耗散的同步;类似地,在某些情况下,一个传感器会将整个网络“拉”向不规则,混沌的振荡,而其他情况则相反。

最重要的是,研究人员通过充当代理的“激励器”电路的活动,从传感器获得了准确而可靠的测量结果。因为提供激励信号可以观察到许多动态变化,否则这些动态变化会“隐藏”在传感器节点内部,因此研究人员认为,这类似于浇灌花蕾的过程,因此可以将它们打开来绽放(集体特征)。传感器和激励电路分别被称为“ Tsubomi”和“ Ame”,日语中的“ flower bud”和“ rain”两个词。 Yasuharu Koike教授解释说:“由于很容易将这种方法与许多在人体尺度上共同相互作用的传感器一起使用,因此,我们希望将这种新技术应用于读出微妙的运动和生物信号。”来自生物界面实验室的Natsue Yoshimura博士,在那里进行了一些概念验证测试。

博士说:“该电路从一个真正的简约设计中汲取了美感,它经过精心调和,可以和谐地共同运行,从而产生比单个组件更多的东西,例如无数小花瓣如何创造出花朵。” Ludovico Minati的研究现已完全致力于非线性电子电路的出现。他解释说,这是大自然如何启发和指导新的工程方法的又一个例子,这种方法较少以说明性规范为基础,而更着重于紧急行为。应用此方法时遇到的困难仍然很大,但是以最经济和可持续的方式实现复杂功能方面,潜在的回报是巨大的。意大利卡塔尼亚大学的Mattia Frasca教授指出:“多学科整合确实是成功开展此类先驱研究的关键,”他在复杂电路和网络方面的研究是这项合作研究的基础。

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