È davvero sorprendente che molti semplici circuiti elettronici costituiti da pochi componenti si comportino in modo caotico, in modo estremamente complicato, maniera praticamente imprevedibile. I fisici dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze di Cracovia hanno scoperto, esaminato e descritto decine di nuovi, circuiti insoliti di questo tipo. Ciò che è particolarmente interessante è che uno dei circuiti genera impulsi di tensione molto simili a quelli prodotti dai neuroni, solo che lo fa mille volte più velocemente.

Solo pochi transistor, resistori, bastano condensatori e bobine di induzione per costruire circuiti elettronici che si comportano in modo praticamente imprevedibile. Anche in sistemi così semplici, oscillazioni caotiche di natura complessa risultano essere la norma. In un articolo pubblicato sulla rivista Caos , i ricercatori presentano 49 nuovi, oscillatori elettronici caotici insoliti, non progettati appositamente, ma scoperto nelle simulazioni al computer.

"L'elettronica è solitamente associata a dispositivi che funzionano in modo preciso e sempre secondo le aspettative. La nostra ricerca mostra un quadro completamente diverso. Anche nei circuiti elettronici contenenti solo uno o due transistor, il caos è onnipresente. Le reazioni prevedibili dei comuni dispositivi elettronici non riflettono la natura dell'elettronica ma gli sforzi dei progettisti, " dice il primo autore dello studio, Dott. Ludovico Minati (IFJ PAN).

dal caos, generalmente intendiamo mancanza di ordine. In fisica, questo concetto funziona in modo leggermente diverso. Si dice che i circuiti si comportino in modo caotico quando anche piccoli cambiamenti nei parametri di input provocano grandi cambiamenti nell'output. Poiché vari tipi di fluttuazioni sono una caratteristica naturale del mondo, in pratica, i sistemi caotici mostrano un'enorme variazione di comportamento, così grande che le previsioni precise sono molto difficili, e spesso impossibile. Il circuito può quindi sembrare comportarsi in modo abbastanza casuale, anche se la sua evoluzione segue un certo schema complicato.

Il comportamento caotico è così complesso che fino ad oggi, non esistono metodi per progettare in modo efficace circuiti elettronici di questo tipo. Quindi i ricercatori hanno affrontato il problema in modo diverso. Invece di costruire oscillatori caotici da zero, decisero di scoprirli. La struttura dei circuiti, costituito da componenti disponibili in commercio, è stato mappato come una sequenza di 85 bit. Nella configurazione massima, i circuiti modellati erano costituiti da una fonte di alimentazione, due transistor, un resistore e sei condensatori o bobine di induzione, collegati in un circuito contenente otto nodi. Queste stringhe di bit sono state poi sottoposte a modifiche casuali. Le simulazioni sono state effettuate su un supercomputer Cray XD1.

"La nostra ricerca era cieca, in uno spazio gigantesco che offre 2 ⁸⁵ possibili combinazioni. Durante la simulazione, abbiamo analizzato più o meno 2 milioni di circuiti, un'area estremamente ridotta dello spazio disponibile. Di questi, circa 2, 500 circuiti hanno mostrato un comportamento interessante, "dice il dottor Minati, e sottolinea che gli oscillatori elettronici caotici erano noti in precedenza. Fino ad ora, però, sembrava che si presentassero solo in poche varianti, e che la loro costruzione ha richiesto un certo sforzo e un sistema adeguatamente complesso.

I ricercatori hanno analizzato il comportamento dei nuovi circuiti utilizzando il programma SPICE, comunemente usati nella progettazione di circuiti elettronici. Però, in caso di comportamento caotico, Le capacità di simulazione di SPICE si sono rivelate insufficienti. Quindi i 100 circuiti più interessanti sono stati fisicamente costruiti e testati in laboratorio. Per migliorare la qualità dei segnali generati durante i test, i ricercatori hanno eseguito una delicata messa a punto dei parametri dei componenti. Infine, il numero di circuiti interessanti è stato ridotto a 49. Il più piccolo oscillatore caotico consisteva in un transistor, un condensatore, una resistenza e due bobine di induzione. La maggior parte dei circuiti trovati ha mostrato non banale, comportamento caotico con una scala di complessità a volte sorprendente. Questa complessità può essere visualizzata utilizzando grafici speciali:attrattori, riflettendo geometricamente la natura dei cambiamenti nel circuito nel tempo. Le analisi statistiche dei segnali generati dai nuovi oscillatori non hanno, però, rivelano eventuali tracce di due importanti caratteristiche presenti in molti sistemi auto-organizzati:criticità e multi-frattalità.

"Potremmo parlare di multi-frattalità se diverse parti del diagramma di variazione di tensione, ingrandita in luoghi diversi in modi diversi, rivelato cambiamenti simili alle caratteristiche originali. A sua volta, avremmo a che fare con criticità se il circuito si trovasse in uno stato in cui potrebbe in ogni momento passare dalla modalità normale a quella caotica o viceversa. Non abbiamo notato questi fenomeni negli oscillatori esaminati, " spiega il Prof. Stanislaw Drozdz (IFJ PAN, Università della Tecnologia di Cracovia). "I sistemi critici in genere hanno più opportunità di reagire ai cambiamenti nel proprio ambiente. Quindi non c'è da meravigliarsi se la criticità è un fenomeno abbastanza frequente in natura. Le prove indicano che il cervello umano, Per esempio, è un sistema che opera in condizioni critiche."

Di particolare interesse è stato uno degli oscillatori trovati, che ha generato picchi di tensione simili a stimoli tipici dei neuroni. La somiglianza degli impulsi era impressionante qui, ma non completo.

"Il nostro analogo del neurone artificiale si è dimostrato molto più veloce della sua controparte biologica. Gli impulsi sono stati prodotti migliaia di volte più spesso. Se non fosse per la mancanza di criticità e multifrattalità, la velocità di funzionamento di questo circuito giustificherebbe parlare di un superneurone elettronico. Forse esiste un circuito del genere, solo che non l'abbiamo ancora trovato. Al momento, dobbiamo accontentarci del nostro 'quasi super-neurone, "" dice il dottor Minati.

I fisici di Cracovia hanno anche dimostrato che, combinando a coppie i circuiti trovati, compaiono comportamenti di complessità ancora maggiore. I circuiti accoppiati in alcune situazioni funzionavano perfettamente in sincronia, come musicisti che suonano all'unisono. In qualche, uno dei circuiti ha assunto il ruolo di leader e in altri ancora, l'interdipendenza reciproca degli oscillatori era così complicata da essere rivelata solo dopo un'attenta analisi delle statistiche.

Al fine di accelerare lo sviluppo della ricerca sui sistemi elettronici che simulano il comportamento del cervello umano, sono stati resi pubblici gli schemi di tutti i circuiti rinvenuti dai fisici dell'IFJ PAN. Chi fosse interessato può scaricarli qui:ftp://ftp.aip.org/epaps/chaos/E-CHAOEH-27-012707