东京理工大学 每个传感器节点由一个电路组成，该电路仅由一个光伏电源、一个可变电阻、一个电容、两个电感和一个双极晶体管(顶部)组成
一个电感器实现为电路板上的印刷层，用于耦合(底部，左侧)
整体设计非常紧凑，大部分32 × 32毫米的板面积由太阳能电池占据
信用:米蒂 东京理工大学的工程师们发现了一种在更大范围内进行测量的新方法
该技术基于耦合混沌振荡器，这是一种高度敏感的电子电路，可以通过低频、低功率的电磁耦合进行无线交互
通过使每个振荡器对感兴趣的量(例如光强度)敏感，并且足够紧密地散射它们中的一些，从它们的集体活动中读出有用的测量统计是可能的
在工程和科学的许多领域，在明确的位置进行可靠的测量是至关重要的
然而，在当今的互联世界中，为了提高可持续性，这种情况正在发生变化，人们试图将技术传播到世界各地
一个迅速出现的需求是在相对较大的表面或物体上有效地进行测量，例如，全面地评估整个耕地的土壤含水量，检查整个混凝土柱体积的裂缝，或者感测患者所有肢节的震颤
在这种情况下，在单一位置进行测量是不够的
需要使用许多传感器，这些传感器大致均匀地分布在感兴趣的区域或对象上，这就产生了一套称为“分布式传感”的技术
“然而，这种技术有一个潜在的问题:从每个单独的传感器读取数据可能需要相当大的基础设施和电力
在只需要计算可靠的平均值或最大值的情况下，如果传感器能够简单地作为一个群体在它们之间相互作用，有效地“达成一致”期望的统计数据，然后以不需要单独询问每个节点的方式读出这些数据，这将是优选的
然而，以电子方式实现这一点并不容易
数字无线电和处理技术总是一种选择，但在尺寸、功率和复杂性方面要求很高
另一种方法是依靠一种特殊类型的模拟振荡器，这种振荡器非常简单，但却具有单独或共同产生复杂行为的非凡能力:这就是所谓的混沌振荡器
现在，日本和意大利的研究人员提出了一种基于混沌振子网络的分布式测量新方法
这项研究是东京理工学院科学家合作的结果，部分资金由世界研究中心倡议、意大利卡塔尼亚大学和特伦托大学以及同样位于意大利特伦托的布鲁诺·凯斯勒基金会提供
作为光强度的函数，每个传感器节点的动态可以从周期性(弱照明)变化到明显的混沌(强照明)
重建信号的时间轨迹(称为吸引子)揭示了一种典型的蜗牛形状，这种形状在物理实现的板之间是相似的，因此板允许它们之间出现同步
信用:米蒂 研究小组从这样一个想法开始，即耦合混沌振荡器，即使在使用电感线圈或其他天线的无线情况下非常微弱，也可以使它们容易地创造有意义的集体活动。
令人惊讶的是，类似的原理似乎出现在神经元、人或者电子振荡器的网络中，其中它们的组成部分的活动是同步的
通过使每个振荡器响应于特定的物理量级，例如光强度、运动或裂缝的打开，可以有效地通过同步产生“集体智能”，有效地响应于强调对感兴趣方面的敏感性的变化，同时对诸如传感器损坏或损失的扰动具有鲁棒性
这类似于生物大脑的功能原理
实现所提出的电路的关键是从已知的最小的混沌振荡器开始，包括一个双极晶体管、两个电感器、一个电容器和一个电阻器
这条电路是四年前由Dr
这项研究的第一作者卢多维科·米蒂因其丰富的行为和简单的对比而引人注目
对电路进行了改进，使其可以由一块紧凑的太阳能电池板供电，而不是由电池供电，并使其中一个感应器能够通过其磁场进行耦合，从而有效地充当天线
在这位艺术家的印象中，光敏节点分散在一块耕地上
凭借这种耦合机制，每个人只能与更接近的人互动，但共同形成了一个连贯的活动
因为后者在节点中是相似的，所以记录来自其中一个节点的信号就足够了，以便获得整个表面上的照明水平的估计
这种“整体包含在每个部分中”的情况，与必须直接访问每个传感器相比，更容易进行测量
信用:米蒂 人们发现，最终的原型装置能够根据光线的强弱可靠地产生混沌波
此外，让多个设备靠得更近会使它们以代表平均光照水平的方式产生辅音活动
“实际上，我们可以用几个晶体管在空中进行空间平均
与在每个节点上实现一个数字处理器所需的数万个处理器相比，这少得令人难以置信
制造该设备原型的实验室负责人伊藤博之和博士
来自同一个实验室的Korkut Tokgoz
电路设计和结果在电气和电子工程师协会接入杂志的文章中有详细介绍
但也许更引人注目的是发现从这些节点获取信息的最佳方式不仅仅是倾听它们，而是用一个“激励器”信号轻轻刺激它们，这个信号是由一个类似的电路产生的，并使用一个大线圈来施加
根据许多因素，如线圈距离和电路设置，可以根据照明水平和模式创建各种行为
在某些情况下，效果是同步性增加，在其他情况下，同步性消失；类似地，在某些情况下，一个传感器会将整个网络“拉”向不规则的、混乱的振荡，而当相反的情况发生时，另一些传感器会这样做
最重要的是，研究人员通过充当代理的“激励器”电路的活动，从传感器获得了准确和可靠的测量结果
因为提供激励信号可以观察到许多隐藏在传感器节点内部的动态，研究人员认为这类似于给花蕾浇水的过程，这样它们就可以开花(这是一个共同的特征)
传感器和激励器电路分别被称为“蕾”和“Ame”，在日语中是“花蕾”和“雨”的意思
“因为很容易将这种方法应用于人体尺度上的许多传感器集体交互，所以在未来，我们希望将这种新技术应用于读出微妙的运动和生物信号，”教授解释说
小泉纯一郎和博士
吉村夏枝，来自生物国际实验室，在那里进行了一些概念验证测试
“这个电路从一个真正简约的设计中汲取了它的美，这个设计温和地协调以一种和谐的方式共同运作，产生了比单个组件多得多的东西，就像无数小花瓣如何创造一朵花，”博士说
卢多维科·米蒂，他的研究现在完全致力于非线性电子电路的出现
他解释说，这是大自然如何启发和引导新的工程方法的又一个例子，它不那么基于规定性的规范，而是更关注紧急行为
在应用这种方法时遇到的困难仍然很大，但以最经济和可持续的方式实现复杂功能的潜在回报是巨大的
“多学科整合确实是像这样的前兆研究成功的关键，”教授指出
来自意大利卡塔尼亚大学的马蒂亚·弗拉斯卡，他在复杂电路和网络方面的工作是这项合作研究的基础
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