A ideia simples subjacente ao design do circuito é ligar alguns osciladores em anel com comprimentos iguais aos menores números primos ímpares, como 3, 5 e 7 (topo). Mesmo uma simples soma entre as ondas senoidais com tais períodos produz um sinal de aparência complicada (parte inferior), mas as interações entre osciladores reais levam a um cenário muito mais rico. Crédito:Ludovico Minati
Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Tóquio descobriram um simples, ainda uma forma altamente versátil de gerar "sinais caóticos" com vários recursos. A técnica consiste em interconectar três osciladores em anel, efetivamente fazendo-os competir entre si, enquanto controlam seus respectivos pontos fortes e suas ligações. O dispositivo resultante é bastante pequeno e eficiente, portanto, adequado para aplicações emergentes, como a realização de redes sem fio de sensores.
A capacidade de recriar os sinais encontrados em sistemas naturais, como aqueles no cérebro, enxames, e o tempo, é útil para compreender os princípios subjacentes. Esses sinais podem ser muito complexos, como no caso extremo dos chamados sinais caóticos. "Caos" não significa aleatoriedade; representa um tipo de pedido muito complicado. Mudanças mínimas nos parâmetros de um sistema caótico podem resultar em comportamentos muito diferentes. Sinais caóticos são difíceis de prever, mas eles estão presentes em muitos cenários.
Infelizmente, a geração de sinais caóticos com as características desejadas é uma tarefa difícil. Criá-los digitalmente consome, em alguns casos, muita energia, e abordagens baseadas em circuitos analógicos são necessárias. Agora, pesquisadores no Japão, A Itália e a Polônia propõem uma nova abordagem para a criação de circuitos integrados que podem gerar sinais caóticos. Esta pesquisa foi o resultado de uma colaboração entre cientistas do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech), em parte financiado pela World Research Hub Initiative, as Universidades de Catania e Trento, Itália, e a Academia Polonesa de Ciências em Cracóvia, Polônia.
Diagrama do circuito oscilador caótico proposto, em que as intensidades dos osciladores de anel e suas ligações são controladas de forma independente, e seu layout de protótipo (topo). Exemplos de três sinais gerados com qualidades bastante diferentes:flutuações de amplitude de ciclo, trens de pico, e ruído (parte inferior). Crédito:Ludovico Minati
A equipe de pesquisa partiu da ideia de que os ciclos que têm períodos definidos por números primos não podem desenvolver uma relação de fase fixa. Surpreendentemente, este princípio parece ter surgido na evolução de várias espécies de cigarras, cujos ciclos de vida seguem números primos de anos para evitar a sincronização entre si e com predadores. Por exemplo, tenta unir osciladores com períodos definidos para os três primeiros números primos (3, 5 e 7) resulta em sinais que são muito complicados, e o caos pode ser gerado prontamente (Fig. 1).
O projeto partiu do oscilador mais tradicional encontrado em circuitos integrados, o oscilador de anel, que é pequeno e não requer componentes reativos (capacitores e indutores). Esse circuito foi modificado para que as forças dos osciladores de anel tendo três, cinco e sete estágios podem ser controlados de forma independente, junto com o aperto de suas ligações. O dispositivo pode gerar sinais caóticos em um amplo espectro de frequência, das frequências audíveis para a banda de rádio (1 kHz a 10 MHz). "Além disso, poderia fazer isso com um consumo de energia bastante baixo, abaixo de um milionésimo de watt, "explica o Dr. Hiroyuki Ito, chefe do laboratório onde o protótipo foi desenhado.
Ainda mais notável foi a descoberta de que tipos totalmente diferentes de sinais podem ser gerados dependendo das características ligeiramente diferentes dos protótipos individuais (Fig. 2). Por exemplo, os pesquisadores registraram sequências de picos bastante semelhantes aos encontrados em neurônios biológicos. Eles também encontraram situações em que os anéis "lutaram entre si" a ponto de suprimir quase completamente sua atividade:Esse fenômeno é chamado de "morte por oscilação".
O circuito integrado foi projetado como uma pequena "célula" com cerca de 200-100 μm de largura (esquerda), e seu primeiro protótipo foi acomodado em uma placa de teste fornecendo todas as funções de suporte necessárias (direita). Crédito:Hiroyuki Ito e Ludovico Minati
"Este circuito extrai sua beleza de uma forma e um princípio realmente essenciais, e a simplicidade é a chave para a realização de grandes sistemas operando coletivamente de maneira harmoniosa, especialmente quando enriquecido por pequenas diferenças e imperfeições, como os encontrados nos circuitos realizados, "diz o Dr. Ludovico Minati, autor principal do estudo.
A descoberta tem muitas aplicações possíveis. Os pesquisadores trabalharão na integração desse circuito com sensores para medir as propriedades químicas do solo, por exemplo. Adicionalmente, eles criarão redes desses osciladores em um único chip de computador interconectado para se assemelhar a circuitos neurais biológicos. Eles esperam realizar certas operações enquanto consomem muito menos energia do que um computador tradicional.
