p É realmente surpreendente que muitos circuitos eletrônicos simples construídos com apenas alguns componentes se comportem de forma caótica, de uma forma extremamente complicada, forma praticamente imprevisível. Físicos do Instituto de Física Nuclear da Academia de Ciências da Polônia em Cracóvia descobriram, examinou e descreveu dezenas de novos, circuitos incomuns deste tipo. O que é especialmente interessante é que um dos circuitos gera pulsos de voltagem muito semelhantes aos produzidos pelos neurônios, apenas o faz mil vezes mais rápido. p Apenas alguns transistores, resistores, capacitores e bobinas de indução são suficientes para construir circuitos eletrônicos que se comportam de maneira praticamente imprevisível. Mesmo em sistemas tão simples, oscilações caóticas de natureza complexa acabam sendo a norma. Em artigo publicado na revista Caos , os pesquisadores apresentam 49 novos, osciladores eletrônicos caóticos incomuns - não projetados propositalmente, mas descoberto em simulações de computador.

p “A eletrônica costuma estar associada a aparelhos que funcionam com precisão e sempre de acordo com as expectativas. Nossa pesquisa mostra um quadro completamente diferente. Mesmo em circuitos eletrônicos contendo apenas um ou dois transistores, o caos é onipresente. As reações previsíveis de dispositivos eletrônicos comuns não refletem a natureza da eletrônica, mas os esforços dos designers, "diz o primeiro autor do estudo, Dr. Ludovico Minati (IFJ PAN).

p Pelo caos, geralmente queremos dizer falta de ordem. Na física, este conceito funciona de maneira um pouco diferente. Diz-se que os circuitos se comportam de forma caótica quando até mesmo mudanças muito pequenas nos parâmetros de entrada resultam em grandes mudanças na saída. Uma vez que vários tipos de flutuações são uma característica natural do mundo, na prática, sistemas caóticos mostram uma enorme variação de comportamento - tão grande que previsões precisas são muito difíceis, e muitas vezes impossível. O circuito pode, portanto, parecer estar se comportando de forma bastante aleatória, mesmo que sua evolução siga um certo padrão complicado.

p O comportamento caótico é tão complexo que até hoje, não há métodos para projetar com eficácia circuitos eletrônicos desse tipo. Portanto, os pesquisadores abordaram o problema de forma diferente. Em vez de construir osciladores caóticos do zero, eles decidiram descobri-los. A estrutura dos circuitos, feito de componentes disponíveis comercialmente, foi mapeado como uma sequência de 85 bits. Na configuração máxima, os circuitos modelados consistiam em uma fonte de energia, dois transistores, um resistor e seis capacitores ou bobinas de indução, conectado em um circuito contendo oito nós. Essas sequências de bits foram então submetidas a modificações aleatórias. As simulações foram feitas em um supercomputador Cray XD1.

p "Nossa busca foi cega, em um espaço gigantesco que oferece 2 ⁸⁵ combinações possíveis. Durante a simulação, analisamos mais ou menos 2 milhões de circuitos, uma área extremamente pequena do espaço disponível. Destes, cerca de 2, 500 circuitos exibiram um comportamento interessante, "diz o Dr. Minati, e enfatiza que os osciladores eletrônicos caóticos eram conhecidos anteriormente. Até agora, Contudo, parecia que eles ocorreram em apenas algumas variantes, e que sua construção exigiu algum esforço e um sistema apropriadamente complexo.

p Os pesquisadores analisaram o comportamento dos novos circuitos usando o programa SPICE, comumente usado no projeto de circuitos eletrônicos. Contudo, no caso de comportamento caótico, Os recursos de simulação do SPICE revelaram-se insuficientes. Assim, os 100 circuitos mais interessantes foram fisicamente construídos e testados em laboratório. Para melhorar a qualidade dos sinais gerados durante os testes, os pesquisadores realizaram um ajuste delicado dos parâmetros dos componentes. Eventualmente, o número de circuitos interessantes foi reduzido para 49. O menor oscilador caótico consistia em um transistor, um capacitor, um resistor e duas bobinas de indução. A maioria dos circuitos encontrados mostraram não triviais, comportamento caótico com uma escala de complexidade às vezes surpreendente. Essa complexidade pode ser visualizada usando gráficos especiais - atratores, refletindo geometricamente a natureza das mudanças no circuito ao longo do tempo. As análises estatísticas dos sinais gerados pelos novos osciladores não, Contudo, revelam quaisquer vestígios de duas características importantes encontradas em muitos sistemas auto-organizados:criticidade e multifratalidade.

p "Poderíamos falar sobre multifatualização se diferentes partes do diagrama de variação de voltagem, ampliado em lugares diferentes de maneiras diferentes, revelou mudanças semelhantes às características originais. Por sua vez, estaríamos lidando com criticidade se o circuito estivesse em um estado em que pudesse a qualquer momento passar do modo regular para o caótico ou vice-versa. Não notamos esses fenômenos nos osciladores examinados, "explica o Prof. Stanislaw Drozdz (IFJ PAN, Universidade de Tecnologia de Cracóvia). "Os sistemas críticos geralmente têm mais oportunidades de reagir às mudanças em seu próprio ambiente. Portanto, não é de se admirar que a criticidade seja um fenômeno frequentemente encontrado na natureza. As evidências apontam para o fato de que o cérebro humano, por exemplo, é um sistema operando em condições críticas. "

p De particular interesse foi um dos osciladores encontrados, que gerou picos de voltagem semelhantes a estímulos típicos para neurônios. A semelhança de impulsos foi impressionante aqui, mas não está completo.

p "Nosso análogo de neurônio artificial provou ser muito mais rápido do que sua contraparte biológica. Os pulsos foram produzidos milhares de vezes mais frequentemente. Se não fosse pela falta de criticidade e multifatalidade, a velocidade de operação desse circuito justificaria falar de um superneurônio eletrônico. Talvez tal circuito exista, só que ainda não o encontramos. No momento, temos que estar satisfeitos com nosso 'quase superneurônio, "" diz o Dr. Minati.

p Os físicos baseados em Cracóvia também demonstraram que, como resultado da combinação dos circuitos encontrados em pares, comportamentos de complexidade ainda maior aparecem. Os circuitos acoplados em algumas situações funcionaram perfeitamente de forma síncrona, como músicos tocando em uníssono. Em alguns, um dos circuitos assumiu o papel de líder e em outros ainda, a interdependência mútua dos osciladores era tão complicada que só foi revelada após cuidadosa análise das estatísticas.

p Para acelerar o desenvolvimento de pesquisas em sistemas eletrônicos que simulam o comportamento do cérebro humano, os diagramas de todos os circuitos encontrados pelos físicos do PAN IFJ foram divulgados. Os interessados ​​podem baixá-los aqui:ftp://ftp.aip.org/epaps/chaos/E-CHAOEH-27-012707