Il est vraiment surprenant que de nombreux circuits électroniques simples constitués de quelques composants se comportent de manière chaotique, d'une manière extrêmement compliquée, manière pratiquement imprévisible. Des physiciens de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences de Cracovie ont découvert, examiné et décrit des dizaines de nouveaux, circuits inhabituels de ce type. Ce qui est particulièrement intéressant, c'est que l'un des circuits génère des impulsions de tension très similaires à celles produites par les neurones, seulement il le fait mille fois plus vite.

Juste quelques transistors, résistances, les condensateurs et les bobines d'induction suffisent pour construire des circuits électroniques qui se comportent de manière pratiquement imprévisible. Même dans des systèmes aussi simples, des oscillations chaotiques de nature complexe s'avèrent être la norme. Dans un article publié dans la revue le chaos , les chercheurs présentent 49 nouveautés, oscillateurs électroniques chaotiques inhabituels - non conçus à dessein, mais découvert dans les simulations informatiques.

"L'électronique est généralement associée à des appareils qui fonctionnent précisément et toujours selon les attentes. Nos recherches montrent une image complètement différente. Même dans les circuits électroniques ne contenant qu'un ou deux transistors, le chaos est omniprésent. Les réactions prévisibles des appareils électroniques courants ne reflètent pas la nature de l'électronique mais les efforts des concepteurs, " dit le premier auteur de l'étude, Dr Ludovico Minati (FIJ PAN).

Par le chaos, nous entendons généralement le manque d'ordre. En physique, ce concept fonctionne un peu différemment. On dit que les circuits se comportent de manière chaotique lorsque même de très petites modifications des paramètres d'entrée entraînent de grandes modifications de la sortie. Étant donné que divers types de fluctuations sont une caractéristique naturelle du monde, en pratique, les systèmes chaotiques montrent une énorme variation de comportement - si grande que les prédictions précises sont très difficiles, et souvent impossible. Le circuit peut donc sembler se comporter de manière assez aléatoire, même si son évolution suit un certain schéma compliqué.

Le comportement chaotique est si complexe qu'à ce jour, il n'y a pas de méthodes pour concevoir efficacement des circuits électroniques de ce type. Les chercheurs ont donc abordé le problème différemment. Au lieu de construire des oscillateurs chaotiques à partir de zéro, ils ont décidé de les découvrir. La structure des circuits, composé de composants disponibles dans le commerce, a été mappé comme une séquence de 85 bits. Dans la configuration maximale, les circuits modélisés étaient constitués d'une source d'alimentation, deux transistors, une résistance et six condensateurs ou bobines d'induction, connecté dans un circuit contenant huit nœuds. Ces chaînes de bits ont ensuite été soumises à des modifications aléatoires. Les simulations ont été faites sur un supercalculateur Cray XD1.

"Notre recherche était aveugle, dans un espace gigantesque offrant 2 ⁸⁵ combinaisons possibles. Pendant la simulation, nous avons analysé plus ou moins 2 millions de circuits, une zone extrêmement réduite de l'espace disponible. Parmi ceux-ci, environ 2, 500 circuits ont montré un comportement intéressant, " dit le Dr Minati, et souligne que les oscillateurs électroniques chaotiques étaient connus auparavant. Jusqu'à maintenant, cependant, il semblait qu'ils ne se produisaient que dans quelques variantes, et que leur construction nécessitait un certain effort et un système suffisamment complexe.

Les chercheurs ont analysé le comportement des nouveaux circuits à l'aide du programme SPICE, couramment utilisé dans la conception de circuits électroniques. Cependant, en cas de comportement chaotique, Les capacités de simulation de SPICE se sont avérées insuffisantes. Ainsi, les 100 circuits les plus intéressants ont été physiquement construits et testés en laboratoire. Pour améliorer la qualité des signaux générés lors des tests, les chercheurs ont effectué un réglage délicat des paramètres des composants. Finalement, le nombre de circuits intéressants a été réduit à 49. Le plus petit oscillateur chaotique se composait d'un transistor, un condensateur, une résistance et deux bobines d'induction. La plupart des circuits trouvés ont montré non trivial, comportement chaotique avec une échelle de complexité parfois étonnante. Cette complexité peut être visualisée à l'aide de graphiques spéciaux - attracteurs, reflétant géométriquement la nature des changements dans le circuit au fil du temps. Les analyses statistiques des signaux générés par les nouveaux oscillateurs n'ont pas, cependant, révèlent des traces de deux caractéristiques importantes trouvées dans de nombreux systèmes auto-organisés :la criticité et la multi-fractalité.

"On pourrait parler de multi-fractalité si différentes portions du diagramme de variation de tension, magnifié à différents endroits de différentes manières, a révélé des changements similaires aux caractéristiques d'origine. À son tour, on aurait affaire à la criticité si le circuit était dans un état dans lequel il pouvait à tout moment passer du mode régulier au mode chaotique ou vice versa. Nous n'avons pas remarqué ces phénomènes dans les oscillateurs examinés, " explique le Pr Stanislaw Drozdz (FIJ PAN, Université de technologie de Cracovie). "Les systèmes critiques ont généralement plus de possibilités de réagir aux changements de leur propre environnement. Il n'est donc pas étonnant que la criticité soit un phénomène assez souvent rencontré dans la nature. Les preuves indiquent que le cerveau humain, par exemple, est un système fonctionnant dans un état critique."

L'un des oscillateurs trouvés était particulièrement intéressant, qui a généré des pics de tension ressemblant à des stimuli typiques des neurones. La similitude des impulsions était frappante ici, mais pas complet.

"Notre analogue de neurone artificiel s'est avéré beaucoup plus rapide que son homologue biologique. Les impulsions ont été produites des milliers de fois plus souvent. Si ce n'était du manque de criticité et de multi-fractalité, la rapidité de fonctionnement de ce circuit justifierait de parler de super-neurone électronique. Peut-être qu'un tel circuit existe, seulement nous ne l'avons pas encore trouvé. À l'heure actuelle, nous devons être satisfaits de notre "presque super-neurone, "", dit le Dr Minati.

Les physiciens basés à Cracovie ont également démontré qu'en combinant les circuits trouvés par paires, des comportements d'une complexité encore plus grande apparaissent. Les circuits couplés dans certaines situations fonctionnaient parfaitement de manière synchrone, comme des musiciens jouant à l'unisson. Dans certaines, l'un des circuits a repris le rôle de leader et dans d'autres encore, l'interdépendance mutuelle des oscillateurs était si compliquée qu'elle n'a été révélée qu'après une analyse minutieuse des statistiques.

Afin d'accélérer le développement de la recherche sur les systèmes électroniques qui simulent le comportement du cerveau humain, les schémas de tous les circuits trouvés par les physiciens de l'IFJ PAN ont été rendus publics. Toute personne intéressée peut les télécharger ici :ftp://ftp.aip.org/epaps/chaos/E-CHAOEH-27-012707