.
Engenheiros do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech) descobriram alguns efeitos intrincados que surgem quando sistemas caóticos, que normalmente geram espectros amplos, são acoplados transmitindo apenas uma faixa estreita de frequências de um para o outro. A sincronização de osciladores caóticos, como circuitos eletrônicos, continua a atrair considerável fascínio devido à riqueza dos comportamentos complexos que podem surgir. Recentemente, aplicações hipotéticas em sensoriamento distribuído foram consideradas, no entanto, acoplamentos sem fio são práticos apenas em intervalos de frequência estreitos. A pesquisa proposta mostra que, mesmo sob tais restrições, a sincronização do caos pode ocorrer e dar origem a fenômenos que um dia poderão ser aproveitados para realizar operações úteis sobre ensembles de nós distantes.
A noção abstrata de que o todo pode ser encontrado em cada parte de algo há muito fascina os pensadores envolvidos em todas as esferas da filosofia e da ciência experimental: de Immanuel Kant sobre a essência do tempo a David Bohm sobre a noção de ordem e do eu -semelhança de estruturas fractais com as propriedades definidoras de hologramas. No entanto, permaneceu compreensivelmente estranho à engenharia eletrônica, que se esforça para desenvolver circuitos de troca de sinais cada vez mais especializados e eficientes que possuem características altamente controladas. Em contraste, nos mais diversos sistemas complexos da natureza, como o cérebro, a geração de atividades com características que se apresentam de maneira semelhante em diferentes escalas temporais, ou frequências, é quase uma observação onipresente.
Em uma busca para explorar abordagens novas e não ortodoxas para projetar sistemas capazes de resolver problemas difíceis de computação e controle, físicos e engenheiros têm, há décadas, investigado redes formadas por osciladores caóticos. Estes são sistemas que podem ser facilmente realizados usando componentes eletrônicos, ópticos e mecânicos analógicos. Sua propriedade marcante é que, apesar de serem bastante simples em sua estrutura, podem gerar comportamentos que são, ao mesmo tempo, incrivelmente intrincados e nada aleatórios. “O caos envolve uma extrema sensibilidade às condições iniciais, o que significa que a atividade em cada ponto no tempo é efetivamente imprevisível. No entanto, um aspecto crucial é que os arranjos geométricos das trajetórias geradas pelos sinais caóticos têm propriedades bem definidas que, juntamente com a distribuição de frequências, são bastante estáveis e repetíveis. Como esses recursos podem mudar de várias maneiras, dependendo da entrada de tensão ou configurações de parâmetros como um valor de resistor, esses circuitos são interessantes como base para a realização de novas formas de computação distribuída, por exemplo, com base em leituras do sensor”, explica o Dr. Ludovico Minati, principal autor do estudo. “Em nosso trabalho recente, mostramos que eles podem ser efetivamente usados para criar o tipo de reservatórios físicos que podem simplificar o treinamento de redes neurais”, acrescenta o Sr. Jim Bartels, aluno de doutorado da Unidade de Nano Sensing, onde o estudo foi conduzido. [1].
Quando dois ou mais osciladores caóticos são acoplados, os comportamentos mais interessantes surgem quando eles atraem e repelem suas atividades enquanto tentam encontrar um equilíbrio, de maneiras que os osciladores periódicos comuns simplesmente não conseguem acessar. “Dois anos atrás, o trabalho feito em nosso laboratório demonstrou que esses comportamentos poderiam, pelo menos em princípio, ser usados como um meio de coletar leituras de sensores distantes e fornecer diretamente estatísticas como o valor médio”, acrescenta o Dr. Ludovico Minati [2]. No entanto, a natureza complexa dos sinais caóticos implica que eles geralmente apresentam amplos espectros de frequência, que são muito diferentes daqueles, estreitos e perfeitamente delineados, que são normalmente usados na comunicação sem fio moderna. “Como consequência, torna-se muito difícil, se não impossível, realizar acoplamentos pelo ar. Isso não ocorre apenas porque as antenas costumam ser altamente sintonizadas para frequências específicas, mas também e principalmente porque os regulamentos de rádio não permitem a transmissão, exceto dentro de limites bem definidos regiões”, explica o Sr. Boyan Li, aluno de mestrado e segundo autor do estudo.
Até o momento, existe um corpo substancial de literatura cobrindo os muitos efeitos que podem surgir em ensembles de osciladores caóticos. Por exemplo, podem aparecer pequenos grupos de nós que se sincronizam preferencialmente uns com os outros, um pouco como grupos de pessoas se unindo em uma festa, juntamente com inesperadas interdependências remotas que nos lembram do problema de ligação no cérebro. No entanto, surpreendentemente, quase nenhum estudo considerou a possibilidade (ou não) de acoplamento de osciladores caóticos por meio de um mecanismo, basicamente um filtro, que transfere apenas uma faixa estreita de frequências. Por esse motivo, os pesquisadores da Tokyo Tech decidiram explorar o comportamento de um par de osciladores caóticos. Eles os acoplaram usando um filtro que podiam facilmente ajustar para deixar passar apenas uma faixa estreita de frequências, enquanto mantinham uma conexão com fio entre eles.
“Decidimos usar um tipo de oscilador caótico extraordinariamente simples, envolvendo apenas um transistor e um punhado de componentes passivos, conhecido como oscilador Minati-Frasca. Essa família de osciladores foi introduzida há cerca de cinco anos por pesquisadores da Itália e Polônia, e tem muitas propriedades notáveis, conforme descrito em um livro recente. Recentemente, ficamos interessados em entendê-los e em suas diversas aplicações potenciais”, explica o Dr. Hiroyuki Ito, chefe da Unidade de Nano Sensing onde o estudo foi conduzido.
Com base em simulações e medições, a equipe de pesquisa conseguiu demonstrar que é de fato possível sincronizar esses osciladores mesmo sem transferir todo o amplo espectro, mas apenas uma “fatia” relativamente estreita dele. Eles gostam de comparar isso a uma situação em que o todo se encontra, pelo menos parcialmente, em uma parte. Ao operar na região de gigahertz inferior, perto de onde funcionam os dispositivos sem fio de primeira geração, os osciladores podem sincronizar ao transmitir apenas alguns pontos percentuais da largura de banda. Como esperado, a sincronização não foi completa, o que significa que os osciladores não seguiram completamente a atividade um do outro. “Esse tipo de interdependência incompleta, ou fraca, é justamente a região onde os efeitos mais interessantes podem aparecer no nível de uma rede de nós. É bastante semelhante entre osciladores e neurônios, como mostrou um de nossos trabalhos anteriores. mecanismos que representam a próxima fronteira para a implementação de computação distribuída baseada em comportamentos emergentes, como muitos grupos de pesquisa em todo o mundo estão buscando”, acrescenta o Dr. Mattia Frasca da Universidade de Catania, na Itália, que inicialmente co-descobriu esses circuitos com o Dr. Minati, mais tarde analisando juntos seus comportamentos e relacionamento com outros sistemas na natureza, e forneceu vários fundamentos teóricos que foram usados para o estudo pelos pesquisadores da Tokyo Tech.
Os pesquisadores observaram que, embora uma fatia estreita do espectro fosse suficiente para obter alguma sincronização detectável, a localização central e a largura do filtro tiveram efeitos importantes. Usando uma infinidade de técnicas de análise, eles puderam ver que em algumas regiões, a atividade do oscilador escravo rastreou a configuração do filtro de maneira evidente, enquanto em outras, efeitos diferentes e bastante mais complexos apareceram. “Este é um bom exemplo da riqueza de comportamentos disponíveis para esses circuitos, que permanecem pouco conhecidos na comunidade de engenharia eletrônica. É bem diferente em comparação com as respostas mais simples de sistemas periódicos, que são travados ou não entre si. Falta muito para que possamos realmente realizar aplicações efetivas usando esses fenômenos, por isso deve-se dizer que esta é uma pesquisa fundamental no momento. No entanto, é muito fascinante pensar que no futuro poderemos realizar alguns aspectos de detecção também usando essas abordagens incomuns”, acrescenta a Sra. Zixuan Li, estudante de doutorado e coautora do estudo.
Após essa entrevista, a equipe explicou que esse tipo de pesquisa precisará ser ampliado, em primeiro lugar, para entender mais profundamente os fenômenos e como eles podem ser usados para gerar atividades coletivas interessantes. Então, os dois principais desafios de engenharia serão demonstrar acoplamentos em um link sem fio real, atendendo a todos os requisitos de rádio e minimizando substancialmente o consumo de energia, também usando alguns resultados de suas pesquisas anteriores. “Se forem encontradas soluções bem-sucedidas para esses desafios, um de nossos principais objetivos será demonstrar a detecção distribuída utilizável em aplicações importantes para a sociedade, como o monitoramento da condição da terra na agricultura de precisão”, conclui o Dr. Hiroyuki Ito. A metodologia e os resultados são relatados em um artigo recente publicado na revista Caos, Sólitons e Fractais [3]e todas as gravações experimentais foram disponibilizadas gratuitamente para outros usarem em trabalhos futuros.
.
