Os engenheiros da Tokyo Tech encontraram uma nova abordagem para fazer medições em uma área extensa. A técnica é baseada em osciladores caóticos acoplados, que são circuitos eletrônicos altamente sensíveis que podem interagir sem fio por meio de baixa frequência, acoplamento eletromagnético de baixa potência. Ao tornar cada oscilador sensível a uma quantidade de interesse, como intensidade de luz, e espalhando um número deles suficientemente perto, é possível ler estatísticas de medição úteis de sua atividade coletiva.

Em muitos domínios da engenharia e da ciência, fazer medições confiáveis ​​em locais bem definidos é fundamentalmente importante. Contudo, isso está mudando no mundo conectado de hoje na tentativa de distribuir tecnologia em todos os lugares para melhorar a sustentabilidade. Uma necessidade que surge rapidamente é a de fazer medições de forma eficiente em superfícies ou objetos relativamente grandes, por exemplo, avaliar de forma abrangente o teor de água do solo em toda uma parcela cultivada, verificar se há rachaduras em todo o volume de um pilar de concreto, ou sentir tremores em todos os segmentos dos membros de um paciente.

Em tais casos, uma medição feita em um único local não é suficiente. É necessário usar muitos sensores, espalhados de maneira aproximadamente uniforme sobre a área ou objeto de interesse, dando origem a um conjunto de técnicas denominado "sensoriamento distribuído". Contudo, esta técnica tem um problema potencial:a leitura de dados de cada sensor individual pode exigir infraestrutura e energia consideráveis. Em situações onde apenas uma média confiável ou valor máximo precisa ser calculado, seria preferível se os sensores pudessem simplesmente interagir entre si como uma população, efetivamente "chegando a um acordo" sobre as estatísticas desejadas, que pode então ser lido de uma forma que não exija interrogar cada nó individualmente.

Contudo, implementar isso eletronicamente não é fácil. O rádio digital e a tecnologia de processamento são sempre uma opção, mas é muito exigente em termos de tamanho, poder e complexidade. Uma abordagem alternativa é contar com osciladores analógicos de um tipo peculiar, que são muito simples, mas dotados de uma notável capacidade de gerar comportamentos complexos, separada e coletivamente:Esses são os chamados osciladores caóticos. Agora, pesquisadores no Japão e na Itália propõem uma nova abordagem para medição distribuída baseada em redes de osciladores caóticos. Esta pesquisa foi o resultado de uma colaboração entre cientistas do Instituto de Tecnologia de Tóquio, em parte financiado pela World Research Hub Initiative, as Universidades de Catania e Trento, Itália, e a Fundação Bruno Kessler, também em Trento, Itália.

A equipe de pesquisa partiu da ideia de que o acoplamento de osciladores caóticos, mesmo muito fracamente, como no caso de over-the-air usando bobinas indutoras ou outras antenas, torna mais fácil para eles criar uma atividade coletiva significativa. Surpreendentemente, princípios semelhantes parecem surgir em redes de neurônios, pessoas, ou, na verdade, osciladores eletrônicos, em que a atividade de seus constituintes é sincronizada. Ao tornar cada oscilador responsivo a uma magnitude física particular, como intensidade de luz, movimento, ou abertura de uma rachadura, é efetivamente possível gerar uma "inteligência coletiva" via sincronização, respondendo efetivamente às mudanças que enfatizam a sensibilidade a um aspecto de interesse ao mesmo tempo em que é robusto contra perturbações como danos ou perda do sensor. Isso é semelhante aos princípios de funcionamento dos cérebros biológicos.

A chave para realizar o circuito proposto era começar a partir de um dos menores osciladores caóticos conhecidos, envolvendo apenas um único transistor bipolar, dois indutores, um capacitor, e um resistor. Este circuito, introduzido há quatro anos pelo Dr. Ludovico Minati, o principal autor do estudo, era notável por seus ricos comportamentos que contrastavam com sua simplicidade. O circuito foi modificado para que pudesse ser alimentado por um painel solar compacto em vez de uma bateria, e de modo que um de seus indutores pudesse permitir o acoplamento por meio de seu campo magnético, efetivamente atuando como uma antena.

O dispositivo protótipo resultante foi encontrado para produzir ondas caóticas de forma confiável, dependendo do nível de luz. Além disso, aproximar vários dispositivos faria com que eles gerassem atividade consonantal de uma maneira representativa do nível de luz médio. "Efetivamente, poderíamos fazer uma média espacial no ar com apenas um punhado de transistores. Isso é incrivelmente menos em comparação com as dezenas de milhares que seriam necessárias para implementar um processador digital em cada nó, "de acordo com o Dr. Hiroyuki Ito, chefe do laboratório onde o protótipo do dispositivo foi construído, e Dr. Korkut Tokgoz do mesmo laboratório. O projeto do circuito e os resultados são cuidadosamente detalhados no artigo da Acesso IEEE Diário.

Mas talvez ainda mais notável foi a descoberta de que a melhor maneira de coletar informações desses nós não era apenas ouvi-los, mas estimulando-os suavemente com um sinal de "excitador", que foi gerado por um circuito semelhante e aplicado usando uma grande bobina. Dependendo de muitos fatores, como distância da bobina e configurações de circuito, era possível criar vários comportamentos em resposta ao nível e padrão de iluminação. Em algumas situações, o efeito foi um aumento na sincronização, em outros, sincronização dissipada; de forma similar, havia casos em que um sensor "puxava" toda a rede em direção irregular, oscilação caótica, e outros quando aconteceu o contrário.

Mais importante, os pesquisadores obtiveram medições precisas e robustas dos sensores por meio da atividade do circuito "excitador" atuando como um proxy. Porque fornecer o sinal de excitador permite a observação de muitas dinâmicas de outra forma "escondidas" dentro dos nós sensores, os pesquisadores sentiram que se assemelhava ao processo de regar os botões de flores para que eles pudessem se abrir em uma flor (uma característica coletiva). Os circuitos do sensor e do excitador foram respectivamente apelidados de "Tsubomi" e "Ame, "as palavras para" botão de flor "e" chuva "em japonês." Como é fácil aplicar essa abordagem com muitos sensores interagindo coletivamente na escala de um corpo humano, no futuro, gostaríamos de aplicar esta nova técnica para ler movimentos sutis e sinais biológicos, "explica o Prof. Yasuharu Koike e o Dr. Natsue Yoshimura, do laboratório Biointerfaces onde foram realizados alguns testes de prova de conceito.

"Este circuito extrai sua beleza de um design verdadeiramente minimalista, suavemente sintonizado para operar coletivamente de maneira harmoniosa, dando origem a algo que é muito mais do que os componentes individuais, como como uma miríade de pequenas pétalas cria uma flor, "diz o Dr. Ludovico Minati, cuja pesquisa é agora totalmente dedicada à emergência em circuitos eletrônicos não lineares. Esse, ele explica, é mais um exemplo de como a natureza pode inspirar e orientar novas abordagens de engenharia, menos fundamentado em especificações prescritivas e mais focado em comportamentos emergentes. As dificuldades encontradas ao aplicar esta abordagem permanecem consideráveis, mas as recompensas potenciais são enormes em termos de realização de funções complexas da maneira mais econômica e sustentável. "A integração multidisciplinar é verdadeiramente a chave para o sucesso de pesquisas precursoras como esta, "observa o Prof. Mattia Frasca da Universidade de Catania, Itália, cujo trabalho em circuitos e redes complexos foi uma base fundamental para esta pesquisa colaborativa.