بسیاری از جوانه ها به یک شکوفه: یک رویکرد همگام سازی برای سنجش با استفاده از بسیاری از نوسانگرها برای انجام یک اندازه گیری

مهندسان موسسه فناوری توکیو (Tokyo Tech) رویکرد جدیدی برای اندازه گیری در یک منطقه گسترده یافته اند. این تکنیک مبتنی بر "نوسانگرهای آشوب" جفت شده است، که مدارهای الکترونیکی بسیار حساسی هستند که می توانند به صورت بی سیم از طریق کوپلینگ الکترومغناطیسی کم توان با فرکانس پایین تعامل داشته باشند. با حساس کردن هر نوسانگر به مقدار مورد علاقه، مانند شدت نور، و پراکندگی تعدادی از آنها به اندازه کافی نزدیک، می توان آمارهای اندازه گیری مفیدی را از فعالیت جمعی آنها "خواند" کرد. این فناوری کاربردهای احتمالی زیادی در نظارت بر زیست پزشکی، محیطی و ساختاری دارد.

شکل 1. طراحی مدار

هر گره حسگر شامل مداری است که فقط از یک منبع فتوولتائیک، یک مقاومت متغیر، یک خازن، دو سلف و یک ترانزیستور دوقطبی (بالا) ساخته شده است. یک سلف به عنوان یک لایه چاپ شده روی برد مدار قرار می گیرد و برای اتصال (پایین، چپ) استفاده می شود. طراحی کلی کاملاً جمع و جور است و بیشتر مساحت تخته 32 × 32 میلی متری توسط سلول های خورشیدی اشغال شده است.(محدودیت های استفاده از تصویر: هیچ، اعتبار تصویر: لودویکو میناتی)

وقتی کسی به اندازه‌گیری چیزی فکر می‌کند، اولین ایده‌ای که به ذهن می‌رسد این است که ابزاری مانند کولیس را در دست بگیرد، به مکان یا چیز خاصی برسد و یک عدد را یادداشت کند. شکی وجود ندارد که در بسیاری از حوزه های مهندسی و علوم، اندازه گیری های قابل اعتماد در مکان های کاملاً تعریف شده از اهمیت اساسی برخوردار است. با این حال، این در دنیای متصل امروزی در حال تغییر است، زیرا ما تلاش می کنیم فناوری را در همه جا برای بهبود پایداری توزیع کنیم. یکی از نیازهایی که به سرعت در حال ظهور است، اندازه گیری کارآمد بر روی سطوح یا اشیاء نسبتاً بزرگ است، به عنوان مثال، ارزیابی جامع محتوای آب خاک در کل قطعه کشت شده، بررسی وجود ترک در کل حجم یک ستون بتنی، یا احساس لرزش در تمام اندام ها. بخش ها در یک بیمار

در چنین مواردی، اندازه گیری در یک مکان واحد کافی نیست. نیاز به استفاده از حسگرهای زیادی وجود دارد که تقریباً به طور یکنواخت در منطقه یا شی مورد نظر پراکنده شده‌اند و مجموعه‌ای از تکنیک‌ها را به نام «حسگر توزیع‌شده» ایجاد می‌کنند. با این حال، این تکنیک یک مشکل بالقوه دارد: خواندن داده‌ها از هر حسگر فردی ممکن است به زیرساخت و توان قابل توجهی نیاز داشته باشد. به خصوص در شرایطی که فقط باید یک مقدار متوسط یا حداکثر قابل اطمینان محاسبه شود، ترجیح داده می شود که حسگرها بتوانند به سادگی بین خود به عنوان یک جمعیت تعامل داشته باشند و به طور موثر بر روی آمار مورد نظر "به توافق برسند"، که سپس می توان آن را در ادامه خواند. راهی که نیازی به بازجویی از هر گره به صورت جداگانه ندارد.

با این حال، پیاده سازی این به صورت الکترونیکی آسان نیست. رادیو دیجیتال و فناوری پردازش همیشه یک گزینه است، اما از نظر اندازه، قدرت و پیچیدگی بسیار خواستار است. یک رویکرد جایگزین، تکیه بر نوسانگرهای آنالوگ از نوع خاص است، که بسیار ساده هستند، اما دارای توانایی قابل توجهی برای ایجاد رفتارهای پیچیده، به طور جداگانه و جمعی هستند: به اصطلاح "نوسانگرهای آشفته". اکنون، محققان ژاپنی و ایتالیایی رویکرد جدیدی را برای اندازه‌گیری توزیع‌شده بر اساس شبکه‌های نوسانگرهای آشفته پیشنهاد می‌کنند [1]. این تحقیق نتیجه همکاری دانشمندان مؤسسه فناوری توکیو است که بخشی از آن توسط ابتکار مرکز تحقیقات جهانی، دانشگاه‌های کاتانیا و ترنتو، ایتالیا و بنیاد برونو کسلر، همچنین در ترنتو، ایتالیا تامین شده است.

تیم تحقیقاتی از این ایده شروع کردند که در یک مطالعه قبلی [2] معرفی شد، که جفت شدن نوسانگرهای هرج و مرج، حتی بسیار ضعیف مانند مورد استفاده از سیم پیچ های سلف یا آنتن های دیگر، ایجاد معنادار را برای آنها آسان می کند. فعالیت جمعیبا کمال تعجب، به نظر می‌رسد که اصول مشابهی در شبکه‌های نورون‌ها، افراد یا در واقع نوسانگرهای الکترونیکی به وجود می‌آیند که در آن‌ها فعالیت اجزای تشکیل‌دهنده آنها هماهنگ است. با پاسخ دادن هر نوسانگر به یک بزرگی فیزیکی خاص، مانند شدت نور، حرکت، یا باز شدن یک شکاف، به طور موثری امکان ایجاد یک "هوش جمعی" از طریق همگام سازی وجود دارد که به طور موثر به تغییراتی که بر حساسیت به یک جنبه از آن تاکید می کند پاسخ می دهد. در عین حال که در برابر اختلالاتی مانند آسیب یا از دست دادن حسگر مقاوم است. این شبیه به اصول عملکرد مغزهای بیولوژیکی است.

کلید تحقق مدار پیشنهادی شروع از یکی از کوچکترین نوسان سازهای هرج و مرج شناخته شده ، فقط یک ترانزیستور دو قطبی ، دو سلف ، یک خازن و یک مقاومت بود. این مدار ، چهار سال پیش توسط دکتر لودوویویکو میناتی ، نویسنده اصلی این مطالعه و همکاران ، به خاطر رفتارهای غنی خود که با سادگی آن در تضاد بود ، قابل توجه بود [3]. چنین مدار به گونه ای اصلاح شده است که منبع تغذیه آن به جای باتری یک پنل خورشیدی جمع و جور باشد و به طوری که یکی از سلف های آن می تواند اتصال را از طریق میدان مغناطیسی خود فعال کند ، به طور مؤثر به عنوان آنتن عمل کند. دستگاه نمونه اولیه حاصل می تواند بسته به سطح نور ، بتواند امواج هرج و مرج را به طور قابل اعتماد تولید کند. علاوه بر این ، نزدیک شدن چندین دستگاه باعث می شود که آنها فعالیت صامت را به روشی نماینده از سطح متوسط نور ایجاد کنند."ما به طور موثری می توانستیم به طور متوسط فضایی را فقط با تعداد انگشت شماری از ترانزیستورها انجام دهیم. این در مقایسه با ده ها هزار نفر که برای اجرای یک پردازنده دیجیتال در هر گره لازم است ، بسیار کمتر است."رئیس آزمایشگاه که در آن نمونه اولیه دستگاه ساخته شده است ، و دکتر Korkut Tokgoz از همان آزمایشگاه. طراحی مدار و نتایج در مقاله ای که اخیراً در مجله Access IEEE ظاهر شده است ، با دقت مفصل است [1].

اما شاید حتی قابل توجه تر این کشف باشد که بهترین راه برداشت اطلاعات از این گره ها فقط گوش دادن به آنها نبود ، بلکه به آرامی آنها را با یک سیگنال "تحریک کننده" تحریک می کند ، که توسط یک مدار مشابه تولید می شود و با استفاده از یک سیم پیچ بزرگ اعمال می شود. بسته به عوامل زیادی ، مانند فاصله سیم پیچ و تنظیمات مدار ، می توان در پاسخ به سطح و الگوی روشنایی ، رفتارهای مختلفی ایجاد کرد. در برخی شرایط ، این اثر هماهنگ سازی افزایش یافته است ، در برخی دیگر هماهنگ سازی از بین می رود. به همین ترتیب ، مواردی وجود داشت که در آن یک سنسور کل شبکه ها را به سمت نوسان نامنظم ، هرج و مرج و سایر موارد "کشیده" می کند. از همه مهمتر ، اندازه گیری های دقیق و قوی را می توان از طریق فعالیت مدار "تحریک کننده" از سنسورها بدست آورد که به عنوان یک پروکسی عمل می کند. از آنجا که ارائه سیگنال تحریک کننده امکان مشاهده بسیاری از جنبه های پویایی را در غیر این صورت "پنهان" در گره های سنسور می کند ، محققان احساس کردند که این شبیه به روند آبیاری جوانه های گل است تا بتوانند باز شوند و شکوفا شوند (یک ویژگی جمعی). مدارهای سنسور و هیجان به ترتیب "Tsubomi" و "AME" لقب گرفتند که به معنای جوانه گل و باران به زبان ژاپنی بود. پروفسور یاسوهارو کویک و دکتر توضیح می دهیم: "از آنجا که به راحتی می توان از این رویکرد با بسیاری از سنسورها که به صورت جمعی در مقیاس بدن انسان تعامل دارند ، استفاده کنیم ، در آینده می خواهیم این تکنیک جدید را برای خواندن حرکات ظریف و سیگنال های بیولوژیکی استفاده کنیم."Natsue Yoshimura ، از آزمایشگاه Biointerfaces که در آن برخی از آزمایشات اثبات مفهوم انجام شده است.

دکتر می گوید: "این مدار زیبایی خود را از طرحی واقعاً مینیمالیستی به دست می آورد که به آرامی برای کار کردن به صورت جمعی به صورت هماهنگ به کار می رود و چیزی را ایجاد می کند که بسیار بیشتر از اجزای فردی است ، مانند اینکه چگونه تعداد بیشماری از گلهای کوچک شکوفا می شود."Ludovico Minati ، که کل تحقیقات وی اکنون به ظهور در مدارهای الکترونیکی غیرخطی اختصاص یافته است. وی توضیح می دهد ، این نمونه دیگری از این است که چگونه طبیعت می تواند از رویکردهای جدید مهندسی الهام بگیرد و راهنمایی کند ، کمتر در مشخصات تجویز شده و بیشتر بر رفتارهای ظهور متمرکز شده است. مشکلات ناشی از استفاده از این رویکرد همچنان قابل توجه است ، اما پاداش های بالقوه از نظر تحقق کارکردهای پیچیده با اقتصادی ترین و پایدار بسیار زیاد است. پروفسور متیا فرسکا از دانشگاه کاتانیا ، ایتالیا ، خاطرنشان می کند: "ادغام چند رشته ای واقعاً کلید موفقیت در تحقیقات پیشرو مانند این است."

شکل 2. تنظیم آزمایشی

برای بررسی رفتار جمعی سنسورها ، یک آرایه 4 4 در آزمایشگاه تحت محفظه محافظ تهیه شد. این تابلوهای سنسور در حال پوشیدن یک سیم پیچ متصل به نوسان ساز Exciter هستند. چهار LED با قدرت بالا (در زیر هیت سینک های آبی) روشنایی قابل کنترل ، تقلید از نور خورشید و نشان دادن متغیر فیزیکی برای بازسازی از دینامیک.(محدودیت های استفاده از تصویر: هیچ ، اعتبار تصویر: Ludovico Minati)

شکل 3. جاذبه های بازسازی شده

به عنوان تابعی از شدت نور ، پویایی هر گره سنسور می تواند از دوره ای (روشنایی ضعیف) به هرج و مرج قابل توجهی (روشنایی قوی) تغییر کند. بازسازی مسیر زمانی سیگنال (معروف به جذب کننده) یک شکل مانند حلزون را نشان داد ، که در بین تابلوهای تحقق یافته جسمی مشابه بود ، و بنابراین تابلوها اجازه می دادند هماهنگ سازی بین آنها ایجاد شود.(محدودیت های استفاده از تصویر: هیچ ، اعتبار تصویر: Ludovico Minati)

شکل 4. مثال یک برنامه آینده

در تصور این هنرمند ، گره های حساس به نور بر روی یک میدان کشت پراکنده می شوند. با توجه به مکانیسم اتصال ، هر یک قادر به تعامل با افراد نزدیک به آن است ، اما در مجموع یک فعالیت منسجم پدیدار می شود. از آنجا که دومی در بین گره ها مشابه است ، ضبط سیگنال از یکی از آنها برای به دست آوردن برآورد سطح روشنایی در کل سطح کافی است. این وضعیت ، که در آن "کل در هر قسمت موجود است" انجام اندازه گیری را آسان تر می کند ، در مقایسه با دسترسی مستقیم به هر سنسور.(محدودیت های استفاده از تصویر: هیچ ، اعتبار تصویر: Ludovico Minati)

[1] Minati L ، Tokgoz KK ، Frasca M ، Koike Y ، Iannacci J ، Yoshimura N ، Masu K ، Ito H ، Sensing توزیع شده از طریق نوسان سازهای آشفتگی تک ترانسستور به طور همراه: یک رویکرد جدید و اثبات تجربی آن ، مفهوم ، مفهوم آن ، مفهوم آن ، مفهوم آن ، مفهوم آن ، ، مفهوم آن ، مفهوم آن ، مفهوم آن ، ، مفهوم آن ، مفهوم آن ، ، مفهوم آن ، مفهوم آن ، ، مفهوم آن ، با همدست. دسترسی به IEEE ، دسترسی اولیه ، doi 10. 1109/دسترسی . 2020. 2976139

[2] Minati L ، Ito H ، Perinelli A ، Ricci L ، Faes L ، Yoshimura N ، Koike Y ، Frasca M ، تأثیرات اتصال بر دینامیک غیرخطی در شبکه های ضعیف هماهنگ: بینش از سیستم های Rösler ، سیستم های هرج و مرج الکترونیکی ، نوسان سازهای الکترونیکی ، مدل و بیولوژیکینورون ها ، دسترسی IEEE ، جلد. 7 ، صص 174793-174821 ، 2019

[3] Minati L ، Frasca M ، Oświȩcimka P ، Faes L ، Drożdż S ، نوسان سازهای پر هرج و مرج مبتنی بر ترانزیستور: طراحی ، تحقق و تنوع ، هرج و مرج ، جلد. 27 ، نه. 7 ، صص 073113 ، 2017.

نویسندگان:

Ludovico Minati 1،2 ، Korkut Kaan Tokgoz 3 ، Mattia Frasca 4 ، Yasuharu Koike 5 ، Jacopo Iannacci 6 ، Natsue Yoshimura 5،7 ، Kazuya Masu 8 ، Hiroyuki Ito 5

عنوان مقاله اصلی:

سنجش توزیع شده از طریق نوسان سازهای هرج و مرج تک ترانزیستور همراه با القایی: یک رویکرد جدید و اثبات تجربی آن

مجله : دسترسی IEEE وابستگی ها:

1 ابتکار عمل مرکز تحقیقات جهانی توکیو (WRHI) ، انستیتوی تحقیقات نوآورانه ، انستیتوی فناوری توکیو ، یوکوهاما 226-8503 ، ژاپن

2 مرکز علوم ذهن/مغز (CIMEC) ، دانشگاه ترنتو ، ترنتو 38123 ، ایتالیا

3 موسسه تحقیقاتی برای سنجش فراگیر زمین ، انستیتوی فناوری توکیو ، یوکوهاما 226-8503 ، ژاپن

4 گروه مهندسی برق ، الکترونیکی و کامپیوتر (DIEEI) ، دانشگاه کاتانیا ، کاتانیا 95125 ، ایتالیا

5 اول ، انستیتوی تحقیقات نوآورانه ، موسسه فناوری توکیو ، یوکوهاما 226-8503 ، ژاپن

6 مرکز مواد و میکروسیستم ها (CMM) ، Fondazione Bruno Kessler (FBK) ، Trento 38123 ، ایتالیا

7 Presto ، JST ، Saitama 332-0012 ، ژاپن

8 موسسه فناوری توکیو ، توکیو 152-8550 ، ژاپن

• انتشار مطبوعات "بسیاری از جوانه ها به شکوفه: یک رویکرد هماهنگ سازی برای سنجش با استفاده از بسیاری از نوسان سازها برای اندازه گیری"
• Fureai غیرخطی: چگونه اتصال می تواند پویایی پیچیده را در شبکه های متنوع پرورش دهد |اخبار فناوری توکیو
• یک طراحی ساده و در عین حال همه کاره ، برای مدار نوسان کننده هرج و مرج با الهام از شماره های اصلی |اخبار فناوری توکیو
• MOUNOTSUKURI ریاضی: جمع بندی یک ثابت ممکن است به تشخیص فعالیت هماهنگ مغز کمک کند |اخبار فناوری توکیو
• روبات های شش پا توکیو تکنیک به طبیعت نزدیکتر می شوند |اخبار فناوری توکیو
• لودوویویکو میناتی
• آزمایشگاه کویک و یوشیمورا
• آزمایشگاه ایتو
• مشخصات محقق |جستجوی ستاره Tokyo Tech - Ludovico Minati
• مشخصات محقق |جستجوی ستاره Tokyo Tech - Korkut Kaan Tokgoz
• مشخصات محقق |جستجوی ستاره Tokyo Tech - Yasuharu Koike
• مشخصات محقق |جستجوی ستاره Tokyo Tech - Natsue Yoshimura
• مشخصات محقق |جستجوی ستاره Tokyo Tech - Kazuya Masu
• مشخصات محقق |جستجوی ستاره Tokyo Tech - Hiroyuki Ito
• انستیتوی تحقیقات نوآورانه (IIR)
• ابتکار عمل مرکز تحقیقات جهانی توکیو (WRHI)
• موسسه تحقیقاتی برای سنجش فراگیر زمین
• آزمایشگاه برای تحقیقات بین رشته ای آینده علم و فناوری (اول)
• آخرین اخبار تحقیقاتی

دانشیار ویژه منصوب شده لودوویویکو میناتی

موسسه تحقیقات نوآورانه ، انستیتوی فناوری توکیو

انستیتوی فناوری توکیو

بخش روابط عمومی ، موسسه فناوری توکیو