Ogni nodo sensore è costituito da un circuito costituito da una sola sorgente fotovoltaica, un resistore variabile, un condensatore, due induttori e un transistor bipolare (in alto). Un induttore è realizzato come strato stampato sul circuito stampato e utilizzato per l'accoppiamento (fondo, sinistra). Il design generale è abbastanza compatto, con la maggior parte dell'area della scheda 32 × 32 mm occupata dalle celle solari. Attestazione:Minati L
Gli ingegneri della Tokyo Tech hanno trovato un nuovo approccio per effettuare misurazioni su un'area estesa. La tecnica si basa su oscillatori caotici accoppiati, che sono circuiti elettronici altamente sensibili che possono interagire in modalità wireless a bassa frequenza, accoppiamento elettromagnetico a bassa potenza. Rendendo ogni oscillatore sensibile ad una quantità di interesse, come l'intensità della luce, e spargendone un certo numero sufficientemente da vicino, è possibile ricavare utili statistiche di misurazione dalla loro attività collettiva.
In molti campi dell'ingegneria e della scienza, effettuare misurazioni affidabili in luoghi ben definiti è di fondamentale importanza. Però, questo sta cambiando nel mondo connesso di oggi nel tentativo di distribuire la tecnologia ovunque per migliorare la sostenibilità. Un'esigenza che emerge rapidamente è quella di effettuare misurazioni in modo efficiente su superfici o oggetti relativamente grandi, Per esempio, valutare in modo completo il contenuto idrico del suolo su un intero appezzamento coltivato, verifica della presenza di crepe in tutto il volume di un pilastro di cemento, o rilevamento di tremori in tutti i segmenti degli arti in un paziente.
In tali casi, una misurazione effettuata in un unico luogo non è sufficiente. È necessario utilizzare molti sensori, sparsi approssimativamente uniformemente sull'area o sull'oggetto di interesse, dando origine a una serie di tecniche chiamate "rilevamento distribuito". Però, questa tecnica ha un potenziale problema:la lettura dei dati da ogni singolo sensore può richiedere una notevole infrastruttura e potenza. In situazioni in cui è necessario calcolare solo un valore medio o massimo affidabile, sarebbe preferibile se i sensori potessero semplicemente interagire tra loro come popolazione, effettivamente "accordarsi" sulle statistiche desiderate, che potrebbe quindi essere letto in un modo che non richiede l'interrogazione di ciascun nodo individualmente.
Però, implementarlo elettronicamente non è facile. La radio digitale e la tecnologia di elaborazione sono sempre un'opzione, ma è molto esigente in termini di dimensioni, potenza e complessità. Un approccio alternativo è affidarsi ad oscillatori analogici di tipo peculiare, che sono molto semplici ma dotati di una notevole capacità di generare comportamenti complessi, separatamente e collettivamente:questi sono i cosiddetti oscillatori caotici. Ora, ricercatori in Giappone e in Italia propongono un nuovo approccio alla misurazione distribuita basato su reti di oscillatori caotici. Questa ricerca è stata il risultato di una collaborazione tra scienziati del Tokyo Institute of Technology, in parte finanziato dalla World Research Hub Initiative, le Università di Catania e Trento, Italia, e la Fondazione Bruno Kessler, anche a Trento, Italia.
In funzione dell'intensità della luce, la dinamica di ciascun nodo sensore potrebbe cambiare da periodica (illuminazione debole) a marcatamente caotica (illuminazione forte). La ricostruzione della traiettoria temporale del segnale (noti come attrattori) ha rivelato una caratteristica forma a lumaca, che era simile tra le tavole realizzate fisicamente, e le schede hanno quindi permesso la sincronizzazione tra di loro. Attestazione:Minati L
Il team di ricerca è partito dall'idea che accoppiando oscillatori caotici, anche molto debolmente come nel caso di over-the-air utilizzando bobine induttive o altre antenne, rende facile per loro creare un'attività collettiva significativa. Sorprendentemente, principi simili sembrano sorgere in reti di neuroni, le persone, o, infatti, oscillatori elettronici, in cui l'attività dei loro costituenti è sincronizzata. Rendendo ogni oscillatore sensibile a una particolare grandezza fisica come l'intensità della luce, movimento, o apertura di una fessura, è effettivamente possibile generare una "intelligenza collettiva" tramite la sincronizzazione, rispondendo efficacemente ai cambiamenti che enfatizzano la sensibilità a un aspetto di interesse pur essendo robusti contro perturbazioni come danni o perdite del sensore. Questo è simile ai principi di funzionamento dei cervelli biologici.
La chiave per realizzare il circuito proposto è stata quella di partire da uno dei più piccoli oscillatori caotici conosciuti, coinvolgendo solo un singolo transistor bipolare, due induttori, un condensatore, e un resistore. Questo circuito, introdotto quattro anni fa dal Dott. Ludovico Minati, l'autore principale dello studio, era notevole per i suoi comportamenti ricchi che contrastavano con la sua semplicità. Il circuito è stato modificato in modo che potesse essere alimentato da un pannello solare compatto anziché da una batteria, e in modo che uno dei suoi induttori possa consentire l'accoppiamento tramite il suo campo magnetico, fungendo efficacemente da antenna.
Nell'impressione di questo artista, i nodi fotosensibili sono sparsi su un campo coltivato. Grazie al meccanismo di accoppiamento, ognuno è in grado di interagire solo con chi gli è più vicino, ma collettivamente emerge un'attività coerente. Poiché quest'ultimo è simile tra i nodi, è sufficiente registrare un segnale da uno di essi per ottenere una stima del livello di illuminamento su tutta la superficie. Questa situazione, in cui "il tutto è contenuto in ogni parte" rende più facile condurre una misurazione, rispetto a dover accedere direttamente a ciascun sensore. Attestazione:Minati L
È stato scoperto che il dispositivo prototipo risultante produce in modo affidabile onde caotiche a seconda del livello di luce. Inoltre, avvicinare più dispositivi li farebbe generare attività consonantiche in modo rappresentativo del livello medio di luce. "Effettivamente, potremmo fare la media spaziale via etere con solo una manciata di transistor. È incredibilmente meno rispetto alle decine di migliaia che sarebbero necessarie per implementare un processore digitale in ogni nodo, " secondo il dottor Hiroyuki Ito, capo del laboratorio dove è stato realizzato il prototipo del dispositivo, e il dottor Korkut Tokgoz dello stesso laboratorio. La progettazione del circuito e i risultati sono accuratamente dettagliati nell'articolo nel Accesso IEEE rivista.
Ma forse ancora più notevole è stata la scoperta che il modo migliore per raccogliere informazioni da questi nodi non era semplicemente ascoltarli, ma stimolandoli dolcemente con un segnale "eccitatore", che è stato generato da un circuito simile e applicato utilizzando una grande bobina. A seconda di molti fattori, come la distanza della bobina e le impostazioni del circuito, era possibile creare vari comportamenti in risposta al livello e al modello di illuminazione. In alcune situazioni, l'effetto era una maggiore sincronizzazione, in altri, sincronizzazione dissipata; allo stesso modo, c'erano casi in cui un sensore "tirava" l'intera rete verso irregolari, oscillazione caotica, e altri quando è successo il contrario.
Più importante, i ricercatori hanno ottenuto misurazioni accurate e robuste dai sensori tramite l'attività del circuito "eccitatore" che funge da proxy. Perché fornire il segnale di eccitazione permette l'osservazione di molte dinamiche altrimenti "nascoste" all'interno dei nodi del sensore, i ricercatori hanno ritenuto che assomigliasse al processo di irrigazione dei boccioli di fiori in modo che potessero aprirsi in un fiore (una caratteristica collettiva). I circuiti del sensore e dell'eccitatore sono stati rispettivamente soprannominati "Tsubomi" e "Ame, " le parole per "bocciolo di fiore" e "pioggia" in giapponese. "Perché è facile applicare questo approccio con molti sensori che interagiscono collettivamente sulla scala di un corpo umano, nel futuro, vorremmo applicare questa nuova tecnica per leggere movimenti sottili e segnali biologici, " spiegano il Prof. Yasuharu Koike e il Dr. Natsue Yoshimura, dal laboratorio Biointerfaces dove sono stati effettuati alcuni test di proof-of-concept.
"Questo circuito trae la sua bellezza da un design veramente minimalista, delicatamente sintonizzato per operare collettivamente in modo armonioso, dando vita a qualcosa che è molto di più dei singoli componenti, come come una miriade di piccoli petali crea un fiore, " dice il dottor Ludovico Minati, la cui ricerca è ora interamente dedicata all'emergere di circuiti elettronici non lineari. Questo, lui spiega, è un altro esempio di come la natura può ispirare e guidare nuovi approcci ingegneristici, meno radicato nelle specifiche prescrittive e più focalizzato sui comportamenti emergenti. Le difficoltà incontrate nell'applicazione di questo approccio rimangono notevoli, ma le potenziali ricompense sono enormi in termini di realizzazione di funzioni complesse nel modo più economico e sostenibile. "L'integrazione multidisciplinare è davvero la chiave del successo di ricerche precursori come questa, " nota il Prof. Mattia Frasca dell'Università di Catania, Italia, il cui lavoro su circuiti e reti complessi è stato una base fondamentale per questa ricerca collaborativa.
