Cuando uno piensa en medir algo, la primera idea que viene a la mente es tomar una herramienta, como un calibrador, acercarse a un lugar o cosa específica y anotar un número. No hay duda de que, enEn muchos dominios de la ingeniería y la ciencia, es fundamental tomar medidas confiables en ubicaciones bien definidas. Sin embargo, esto está cambiando en el mundo conectado de hoy porque intentamos distribuir tecnología en todas partes para mejorar la sostenibilidad. Una necesidad emergente es la de realizar mediciones de manera eficientesuperficies u objetos relativamente grandes, por ejemplo, evaluando exhaustivamente el contenido de agua del suelo en toda una parcela cultivada, verificando grietas en todo el volumen de un pilar de concreto o detectando temblores en todos los segmentos de extremidades en un paciente.
En tales casos, una medición tomada en un solo lugar no es suficiente. Existe la necesidad de utilizar muchos sensores, dispersos aproximadamente de manera uniforme sobre el área u objeto de interés, dando lugar a un conjunto de técnicas denominadas "detección distribuida".Sin embargo, esta técnica tiene un problema potencial: leer los datos de cada sensor individual puede requerir una infraestructura y potencia considerables. Especialmente en situaciones en las que solo se necesita calcular un valor promedio o máximo confiable, sería preferible que los sensores pudieran simplemente interactuar entre elloscomo población, efectivamente "llegando a un acuerdo" sobre las estadísticas deseadas, que luego podrían leerse de una manera que no requiera interrogar a cada nodo individualmente.
Sin embargo, implementar esto electrónicamente no es fácil. La radio digital y la tecnología de procesamiento siempre es una opción, pero es muy exigente en términos de tamaño, potencia y complejidad. Un enfoque alternativo es confiar en osciladores analógicos de un tipo peculiar, queson muy simples pero dotados de una capacidad notable para generar comportamientos complejos, por separado y colectivamente: los llamados "osciladores caóticos". Ahora, los investigadores en Japón e Italia proponen un nuevo enfoque para la medición distribuida basada en redes de osciladores caóticos. Esta investigaciónfue el resultado de una colaboración entre científicos del Instituto de Tecnología de Tokio, financiado en parte por la Iniciativa World Research Hub, las Universidades de Catania y Trento, Italia, y la Fundación Bruno Kessler, también en Trento, Italia.
El equipo de investigación comenzó a partir de la idea, presentada en un estudio anterior, de que el acoplamiento de osciladores caóticos, incluso muy débilmente como en el caso del aire usando bobinas inductoras u otras antenas, les facilita crear colectivos significativosactividad. Sorprendentemente, principios similares parecen surgir en redes de neuronas, personas o, de hecho, osciladores electrónicos, en los que la actividad de sus componentes está sincronizada. Al hacer que cada oscilador responda a una magnitud física particular, como la intensidad de la luz, el movimiento,o la apertura de una grieta, es efectivamente posible engendrar una "inteligencia colectiva" a través de la sincronización, respondiendo efectivamente a los cambios que enfatizan la sensibilidad a un aspecto de interés, mientras que es robusto contra perturbaciones como daño o pérdida del sensor. Esto es similar al funcionamientoprincipios de cerebros biológicos.
La clave para realizar el circuito propuesto era comenzar desde uno de los osciladores caóticos más pequeños conocidos, que involucraba un solo transistor bipolar, dos inductores, un condensador y una resistencia. Este circuito, introducido hace cuatro años por el Dr. Ludovico Minati, el autor principal del estudio, y sus compañeros de trabajo, fueron notables por sus ricos comportamientos que contrastaban con su simplicidad. Dicho circuito fue modificado para que su fuente de energía fuera un panel solar compacto en lugar de una batería, y asíde sus inductores podría permitir el acoplamiento a través de su campo magnético, actuando efectivamente como una antena. Se descubrió que el dispositivo prototipo resultante era capaz de producir de manera confiable ondas caóticas dependiendo del nivel de luz. Además, acercar múltiples dispositivos haría que generaran consonantesactividad de una manera representativa del nivel de luz promedio ". Efectivamente, podríamos hacer promedios espaciales en el aire solo con un puñado de transistores. Eso es increíblemente menor en comparación conlas decenas de miles que se necesitarían para implementar un procesador digital en cada nodo ", explican juntos el Dr. Hiroyuki Ito, jefe del laboratorio donde se construyó el prototipo del dispositivo, y el Dr. Korkut Tokgoz del mismo laboratorio.El diseño y los resultados del circuito se detallan cuidadosamente en el artículo que apareció recientemente en el acceso IEEE diario
Pero quizás aún más notable fue el descubrimiento de que la mejor forma de obtener información de estos nodos no era solo escucharlos, sino estimularlos suavemente con una señal de "excitador", generada por un circuito similar y aplicada usando una bobina grande.Dependiendo de muchos factores, como la distancia de la bobina y la configuración del circuito, fue posible crear varios comportamientos en respuesta al nivel y al patrón de iluminación. En algunas situaciones, el efecto fue una sincronización aumentada, en otras se disipó la sincronización; de manera similar, hubocasos en los que un sensor "empujaría" las redes completas hacia una oscilación irregular y caótica, y otras cuando ocurriera lo contrario. Lo más importante, se pueden obtener mediciones precisas y robustas de los sensores a través de la actividad del circuito "excitador", actuando comoun proxy. Debido a que proporcionar la señal del excitador permite observar muchos aspectos de la dinámica que de otro modo estarían "ocultos" dentro de los nodos sensores, los investigadores consideraron quesangró el proceso de regar los botones florales para que puedan abrirse y formar una flor una característica colectiva.Los circuitos de sensor y excitador se denominaron respectivamente "Tsubomi" y "Ame", que significan capullo de flores y lluvia en japonés."Debido a que es fácil aplicar este enfoque con muchos sensores que interactúan colectivamente en la escala de un cuerpo humano, en el futuro nos gustaría aplicar esta nueva técnica para leer movimientos sutiles y señales biológicas", explicaron el profesor Yasuharu Koike y el Dr.Natsue Yoshimura, del laboratorio de Biointerfaces donde se realizaron algunas pruebas de prueba de concepto.
"Este circuito saca su belleza de un diseño verdaderamente minimalista sintonizado suavemente para operar colectivamente de manera armoniosa, dando lugar a algo que es mucho más que los componentes individuales, como la forma en que una miríada de flores pequeñas crea una flor", diceEl Dr. Ludovico Minati, cuya investigación completa se dedica ahora a la aparición de circuitos electrónicos no lineales, explica, este es otro ejemplo más de cómo la Naturaleza puede inspirar y guiar nuevos enfoques de ingeniería, menos basados en especificaciones prescriptivas y más enfocados en comportamientos emergentes.Las dificultades encontradas al aplicar este enfoque siguen siendo considerables, pero las recompensas potenciales son enormes en términos de realizar funciones complejas de la manera más económica y sostenible. "La integración multidisciplinaria es realmente la clave del éxito de la investigación precursora como esta", señala el profesorMattia Frasca de la Universidad de Catania, Italia, cuyo trabajo en circuitos y redes complejas fue un fundamento.l base para esta investigación colaborativa.
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Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Tokio . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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