Chaque nœud de capteur est constitué d'un circuit constitué uniquement d'une source photovoltaïque, une résistance variable, un condensateur, deux inductances et un transistor bipolaire (en haut). Un inducteur est réalisé sous forme de couche imprimée sur la carte de circuit imprimé et utilisé pour le couplage (en bas, la gauche). La conception globale est assez compacte, avec la majorité de la surface du panneau de 32 × 32 mm occupée par les cellules solaires. Crédit :Minati L
Les ingénieurs du Tokyo Tech ont trouvé une nouvelle approche pour prendre une mesure sur une zone étendue. La technique est basée sur des oscillateurs chaotiques couplés, qui sont des circuits électroniques très sensibles qui peuvent interagir sans fil à basse fréquence, couplage électromagnétique de faible puissance. En rendant chaque oscillateur sensible à une grandeur d'intérêt, comme l'intensité lumineuse, et en éparpillant suffisamment un certain nombre d'entre eux, il est possible de lire des statistiques de mesure utiles de leur activité collective.
Dans de nombreux domaines de l'ingénierie et de la science, prendre des mesures fiables à des endroits bien définis est fondamentalement important. Cependant, cela change dans le monde connecté d'aujourd'hui dans la tentative de distribuer la technologie partout pour améliorer la durabilité. Un besoin qui émerge rapidement est celui d'effectuer efficacement des mesures sur des surfaces ou des objets relativement grands, par exemple, évaluer globalement la teneur en eau du sol sur l'ensemble d'une parcelle cultivée, recherche de fissures dans tout le volume d'un pilier en béton, ou détecter des tremblements dans tous les segments des membres chez un patient.
Dans ces cas, une mesure prise à un seul endroit ne suffit pas. Il est nécessaire d'utiliser de nombreux capteurs, dispersés à peu près uniformément sur la zone ou l'objet d'intérêt, donnant lieu à un ensemble de techniques appelées « détection distribuée ». Cependant, cette technique présente un problème potentiel :la lecture des données de chaque capteur individuel peut nécessiter une infrastructure et une puissance considérables. Dans les situations où seule une valeur moyenne ou maximale fiable doit être calculée, il serait préférable que les capteurs puissent simplement interagir entre eux en tant que population, effectivement "se mettre d'accord" sur les statistiques souhaitées, qui pourrait alors être lu d'une manière qui ne nécessite pas d'interroger chaque nœud individuellement.
Cependant, la mise en œuvre électronique n'est pas facile. La radio numérique et la technologie de traitement sont toujours une option, mais est très exigeant en termes de taille, puissance et complexité. Une approche alternative consiste à s'appuyer sur des oscillateurs analogiques d'un type particulier, qui sont très simples mais dotés d'une remarquable capacité à générer des comportements complexes, séparément et collectivement :ce sont des oscillateurs dits chaotiques. Maintenant, des chercheurs au Japon et en Italie proposent une nouvelle approche de mesure distribuée basée sur des réseaux d'oscillateurs chaotiques. Cette recherche est le résultat d'une collaboration entre des scientifiques du Tokyo Institute of Technology, en partie financé par la World Research Hub Initiative, les universités de Catane et de Trente, Italie, et la Fondation Bruno Kessler, aussi à Trente, Italie.
En fonction de l'intensité lumineuse, la dynamique de chaque nœud de capteur pourrait passer de périodique (éclairage faible) à nettement chaotique (éclairage fort). La reconstruction de la trajectoire temporelle du signal (appelée attracteurs) a révélé une forme caractéristique en forme d'escargot, qui était similaire parmi les planches réalisées physiquement, et les planches ont ainsi permis à la synchronisation de s'établir entre elles. Crédit :Minati L
L'équipe de recherche est partie de l'idée que le couplage d'oscillateurs chaotiques, même très faiblement comme dans le cas de l'over-the-air utilisant des bobines d'inductance ou d'autres antennes, leur permet de créer facilement une activité collective significative. Étonnamment, des principes similaires semblent apparaître dans les réseaux de neurones, personnes, ou, En effet, oscillateurs électroniques, dans lequel l'activité de leurs constituants est synchronisée. En rendant chaque oscillateur sensible à une grandeur physique particulière telle que l'intensité lumineuse, mouvement, ou ouverture d'une fissure, il est effectivement possible d'engendrer une « intelligence collective » via la synchronisation, répondre efficacement aux changements qui mettent l'accent sur la sensibilité à un aspect d'intérêt tout en étant robuste contre les perturbations telles que les dommages ou la perte de capteurs. Ceci est similaire aux principes de fonctionnement des cerveaux biologiques.
La clé pour réaliser le circuit proposé était de partir de l'un des plus petits oscillateurs chaotiques connus, impliquant un seul transistor bipolaire, deux inducteurs, un condensateur, et une résistance. Ce circuit, introduit il y a quatre ans par le Dr Ludovico Minati, l'auteur principal de l'étude, était remarquable par ses comportements riches qui contrastaient avec sa simplicité. Le circuit a été modifié pour qu'il puisse être alimenté par un panneau solaire compact plutôt qu'une batterie, et pour qu'une de ses inductances puisse permettre le couplage via son champ magnétique, agissant effectivement comme une antenne.
Dans cette impression d'artiste, des nœuds sensibles à la lumière sont dispersés sur un champ cultivé. Grâce au mécanisme de couplage, chacun ne peut interagir qu'avec ses proches, mais collectivement une activité cohérente émerge. Parce que ce dernier est similaire parmi les nœuds, il suffit d'enregistrer un signal de l'un d'eux pour obtenir une estimation du niveau d'éclairement sur toute la surface. Cette situation, où "le tout est contenu dans chaque partie" facilite la réalisation d'une mesure, par rapport à l'accès direct à chaque capteur. Crédit :Minati L
Le dispositif prototype résultant s'est avéré produire de manière fiable des ondes chaotiques en fonction du niveau de lumière. De plus, rapprocher plusieurs appareils les amènerait à générer une activité consonne d'une manière représentative du niveau de lumière moyen. "Effectivement, nous pourrions faire une moyenne spatiale sur l'air avec juste une poignée de transistors. C'est incroyablement moins par rapport aux dizaines de milliers qui seraient nécessaires pour implémenter un processeur numérique à chaque nœud, " selon le Dr Hiroyuki Ito, chef du laboratoire où a été construit le prototype de l'appareil, et le Dr Korkut Tokgoz du même laboratoire. La conception du circuit et les résultats sont soigneusement détaillés dans l'article du Accès IEEE journal.
Mais peut-être encore plus remarquable a été la découverte que la meilleure façon de récolter des informations à partir de ces nœuds n'était pas seulement de les écouter, mais en les stimulant doucement avec un signal "excitateur", qui a été généré par un circuit similaire et appliqué à l'aide d'une grande bobine. En fonction de nombreux facteurs, tels que la distance de la bobine et les réglages du circuit, il était possible de créer divers comportements en réponse au niveau et au modèle d'éclairage. Dans certaines situations, l'effet était une synchronisation accrue, chez les autres, synchronisation dissipée; de la même manière, il y avait des cas dans lesquels un capteur "attirait" l'ensemble du réseau vers irrégulier, oscillation chaotique, et d'autres quand le contraire s'est produit.
Plus important encore, les chercheurs ont obtenu des mesures précises et robustes des capteurs via l'activité du circuit "excitateur" agissant comme un proxy. Parce que fournir le signal excitateur permet l'observation de nombreuses dynamiques autrement "cachées" à l'intérieur des nœuds capteurs, les chercheurs ont estimé que cela ressemblait au processus d'arrosage des boutons floraux afin qu'ils puissent s'ouvrir en une fleur (une caractéristique collective). Les circuits du capteur et de l'excitatrice ont été respectivement baptisés "Tsubomi" et "Ame, " les mots pour " bouton de fleur " et " pluie " en japonais. " Parce qu'il est facile d'appliquer cette approche avec de nombreux capteurs interagissant collectivement à l'échelle d'un corps humain, à l'avenir, nous aimerions appliquer cette nouvelle technique de lecture des mouvements subtils et des signaux biologiques, " expliquent le Pr Yasuharu Koike et le Dr Natsue Yoshimura, du laboratoire Biointerfaces où des tests de preuve de concept ont été réalisés.
"Ce circuit tire sa beauté d'un design vraiment minimaliste doucement accordé pour fonctionner collectivement de manière harmonieuse, donnant naissance à quelque chose qui est bien plus que les composants individuels, comme comment une myriade de petits pétales crée une fleur, " dit le Dr Ludovico Minati, dont les recherches sont désormais entièrement dédiées à l'émergence dans les circuits électroniques non linéaires. Cette, il explique, est un autre exemple de la façon dont la nature peut inspirer et guider de nouvelles approches d'ingénierie, moins fondée sur des spécifications prescriptives et plus axée sur les comportements émergents. Les difficultés rencontrées dans l'application de cette approche restent considérables, mais les récompenses potentielles sont énormes en termes de réalisation de fonctions complexes de la manière la plus économique et la plus durable. « L'intégration multidisciplinaire est vraiment la clé du succès des recherches précurseurs comme celle-ci, " note le professeur Mattia Frasca de l'Université de Catane, Italie, dont les travaux sur les circuits et réseaux complexes ont été une base fondamentale pour cette recherche collaborative.
