La semplice idea alla base della progettazione del circuito è collegare tra loro degli oscillatori ad anello aventi lunghezze pari ai più piccoli numeri primi dispari, come 3, 5 e 7 (in alto). Anche una semplice somma tra onde sinusoidali aventi tali periodi produce un segnale dall'aspetto complicato (in basso), ma le interazioni tra oscillatori reali portano a uno scenario molto più ricco. Credito:Ludovico Minati
I ricercatori del Tokyo Institute of Technology hanno trovato un semplice, ma altamente versatile per generare "segnali caotici" con varie caratteristiche. La tecnica consiste nell'interconnettere tre oscillatori ad anello, facendoli effettivamente competere tra loro, controllando i loro rispettivi punti di forza e i loro collegamenti. Il dispositivo risultante è piuttosto piccolo ed efficiente, quindi adatto ad applicazioni emergenti come la realizzazione di reti wireless di sensori.
La capacità di ricreare i segnali presenti nei sistemi naturali, come quelli nel cervello, sciami, e il tempo, è utile per comprendere i principi di fondo. Questi segnali possono essere molto complessi, come nel caso estremo dei cosiddetti segnali caotici. "Caos" non significa casualità; rappresenta un tipo di ordine molto complicato. Piccoli cambiamenti nei parametri di un sistema caotico possono portare a comportamenti molto diversi. I segnali caotici sono difficili da prevedere, ma sono presenti in molti scenari.
Sfortunatamente, la generazione di segnali caotici con le caratteristiche desiderate è un compito difficile. Crearli digitalmente è in alcuni casi troppo dispendioso in termini di energia, e sono necessari approcci basati su circuiti analogici. Ora, ricercatori in Giappone, Italia e Polonia propongono un nuovo approccio per la creazione di circuiti integrati in grado di generare segnali caotici. Questa ricerca è stata il risultato di una collaborazione tra scienziati del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), in parte finanziato dalla World Research Hub Initiative, le Università di Catania e Trento, Italia, e l'Accademia polacca delle scienze di Cracovia, Polonia.
Schema del circuito oscillatore caotico proposto, in cui le forze degli oscillatori ad anello e i loro collegamenti sono controllati indipendentemente, e il suo layout prototipo (in alto). Esempi di tre segnali generati con qualità piuttosto diverse:fluttuazioni di ampiezza del ciclo, treni a punta, e rumore (in basso). Credito:Ludovico Minati
Il team di ricerca è partito dall'idea che i cicli che hanno periodi fissati da numeri primi non possono sviluppare una relazione di fase fissa. Sorprendentemente, questo principio sembra essere emerso nell'evoluzione di diverse specie di cicale, i cui cicli di vita seguono numeri primi di anni per evitare la sincronizzazione tra loro e con i predatori. Per esempio, tenta di legare insieme oscillatori con periodi impostati sui primi tre numeri primi (3, 5 e 7) produce segnali molto complicati, e il caos può essere facilmente generato (Fig. 1).
Il progetto è partito dall'oscillatore più tradizionale che si trova nei circuiti integrati, l'oscillatore ad anello, che è piccolo e non richiede componenti reattivi (condensatori e induttanze). Tale circuito è stato modificato in modo che le forze degli oscillatori ad anello aventi tre, cinque e sette stadi possono essere controllati indipendentemente, insieme alla tenuta dei loro collegamenti. Il dispositivo potrebbe generare segnali caotici su un ampio spettro di frequenze, dalle frequenze udibili alla banda radio (da 1 kHz a 10 MHz). "Inoltre, potrebbe farlo con un consumo energetico piuttosto basso, sotto un milionesimo di watt, " spiega il dottor Hiroyuki Ito, capo del laboratorio dove è stato progettato il prototipo.
Ancora più notevole è stata la scoperta che possono essere generati tipi di segnali totalmente diversi a seconda delle caratteristiche leggermente diverse dei singoli prototipi (Fig. 2). Per esempio, i ricercatori hanno registrato treni di picchi abbastanza simili a quelli trovati nei neuroni biologici. Hanno anche trovato situazioni in cui gli anelli "si sono scontrati" al punto da sopprimere quasi completamente la loro attività:questo fenomeno è chiamato "morte per oscillazione".
Il circuito integrato è stato progettato come una minuscola "cella" larga circa 200-100 μm (a sinistra), e il suo primo prototipo è stato sistemato su una scheda di prova che fornisce tutte le funzioni di supporto necessarie (a destra). Crediti:Hiroyuki Ito e Ludovico Minati
"Questo circuito trae la sua bellezza da una forma e da un principio davvero essenziali, e la semplicità è la chiave per realizzare grandi sistemi che operano collettivamente in modo armonioso, soprattutto quando arricchito da piccole differenze e imperfezioni, come quelli che si trovano nei circuiti realizzati, " dice il dottor Ludovico Minati, autore principale dello studio.
La scoperta ha molte possibili applicazioni. I ricercatori lavoreranno per integrare questo circuito con sensori per misurare le proprietà chimiche nel suolo, Per esempio. Inoltre, creeranno reti di questi oscillatori su singoli chip di computer interconnessi per assomigliare a circuiti neurali biologici. Sperano di realizzare determinate operazioni consumando molte volte meno energia di un computer tradizionale.
