21.11.2017
PL EN
19.10.2017 aktualizacja 19.10.2017

Chaos rządzi nawet prostą elektroniką

Wiele prostych układów elektronicznych może się zachowywać w trudny do przewidzenia, chaotyczny sposób, wykazali naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie. Zdjęcie przedstawia przyrząd zbudowany z dwóch właśnie odkrytych oscylatorów. W tle tzw. atraktory, ilustrujące różnorodność i bogactwo zachowań nowych układów. (Źródło: IFJ PAN) Wiele prostych układów elektronicznych może się zachowywać w trudny do przewidzenia, chaotyczny sposób, wykazali naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie. Zdjęcie przedstawia przyrząd zbudowany z dwóch właśnie odkrytych oscylatorów. W tle tzw. atraktory, ilustrujące różnorodność i bogactwo zachowań nowych układów. (Źródło: IFJ PAN)

Okazuje się, że wiele prostych układów elektronicznych, zbudowanych z zaledwie paru elementów może zachowywać się chaotycznie - w niezwykle skomplikowany, praktycznie niemożliwy do przewidzenia sposób - pokazują fizycy z Krakowa.

Fizycy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie odkryli, przebadali i opisali kilkadziesiąt nowych, nietypowych układów tego typu. Co szczególnie ciekawe, jeden z układów generuje impulsy napięcia bardzo podobne do wytwarzanych przez neurony, robi to jednak tysiące razy szybciej. O badaniach poinformował IFJ PAN w przesłanym PAP komunikacie.

Zaledwie kilka tranzystorów, oporników, kondensatorów i cewek wystarczy do zbudowania układów elektronicznych zachowujących się w sposób praktycznie niemożliwy do przewidzenia. Nawet w tak prostych układach chaotyczne oscylacje o skomplikowanej naturze okazują się być nie wyjątkiem, lecz normą, wykazali naukowcy z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie.

W publikacji w czasopiśmie „Chaos” (http://dx.doi.org/10.1063/1.4994815) przedstawili oni 49 nowych, nietypowych chaotycznych oscylatorów elektronicznych – nie zaprojektowanych, lecz odkrytych za pomocą symulacji komputerowych. Chaotyczne oscylatory elektroniczne były znane już wcześniej. Dotychczas wydawało się jednak, że występują tylko w kilku odmianach, a ich skonstruowanie wymaga pewnego wysiłku i odpowiedniej złożoności układu.

„Elektronika zwykle kojarzy się z urządzeniami działającymi precyzyjnie i zawsze zgodnie z oczekiwaniami. Z naszych badań wyłania się jej zupełnie inny obraz. Już w układach elektronicznych zawierających ledwie jeden czy dwa tranzystory chaos okazuje się wszechobecny! Przewidywalne i zawsze takie same reakcje urządzeń elektronicznych, używanych przez nas wszystkich na co dzień, to nie odzwierciedlenie natury elektroniki, lecz wysiłków projektantów” - mówi pierwszy autor publikacji, dr Ludovico Minati (IFJ PAN).

Potocznie przez chaos rozumiemy brak porządku. W komunikacie IFJ PAN zwrócono uwagę, że w fizyce pojęcie to funkcjonuje nieco inaczej: o układzie mówi się, że zachowuje się chaotycznie, gdy nawet bardzo małe zmiany parametrów wejściowych skutkują dużymi zmianami na wyjściu. Ponieważ różnego typu fluktuacje są naturalną cechą świata, w praktyce układy chaotyczne wykazują ogromne bogactwo zachowań – tak wielkie, że precyzyjne przewidzenie ich reakcji jest bardzo trudne, a nierzadko wręcz niemożliwe. Układ może więc sprawiać wrażenie zachowującego się zupełnie przypadkowo, mimo że w rzeczywistości jego ewolucja przebiega wedle pewnego skomplikowanego wzorca.

Zachowania chaotyczne są tak złożone, że do dziś nie ma metod pozwalających na efektywne projektowanie obwodów elektronicznych tego typu. Fizycy z IFJ PAN podeszli więc do problemu inaczej. Zamiast od podstaw konstruować chaotyczne oscylatory, zdecydowali się je... odkrywać.

Symulacje zrealizowano na superkomputerze Cray XD1. „Nasze poszukiwania odbywały się metodą na ślepo, w gigantycznej przestrzeni oferującej 2 do potęgi 85 możliwych kombinacji. W trakcie symulacji przeanalizowaliśmy mniej więcej dwa miliony układów, a więc ekstremalnie mały obszar całej dostępnej przestrzeni. W tym gronie ok. 2500 układów wykazywało interesujące zachowania” - mówi dr Minati.

100 najciekawszych układów zbudowano fizycznie i przebadano w laboratorium. W celu poprawienia jakości generowanych sygnałów w trakcie testów niejednokrotnie dokonywano delikatnego „tuningu” parametrów elementów składowych. Ostatecznie liczbę interesujących układów zredukowano do 49.

Najmniejszy chaotyczny oscylator składał się z jednego tranzystora, jednego kondensatora, jednego opornika i dwóch cewek. Większość znalezionych układów wykazywała nietrywialne, chaotyczne zachowania o niekiedy zadziwiającej skali złożoności. Złożoność tę można zwizualizować za pomocą specjalnych wykresów – atraktorów, w geometryczny sposób odwzorowujących charakter zmian aktywności układu w czasie.

Szczególnie ciekawy okazał się jeden ze znalezionych oscylatorów, który generował skoki napięcia przypominające wzbudzenia typowe dla... neuronów. Podobieństwo impulsów było tu uderzające, lecz nie całkowite.

„Nasz sztuczny analog neuronu okazał się znacznie szybszy od swego biologicznego pierwowzoru: impulsy powstawały tysiące razy częściej!" - mówi dr Minati. Zaznacza jednak, że mechanizm nie spełniał pewnych warunków, które spełniają neurony. Urządzenia nie można więc nazwać supernauronem.

Krakowscy fizycy zademonstrowali także, że wskutek łączenia znalezionych układów w pary pojawiają się zachowania o jeszcze większej skali złożoności. Sprzęgnięte układy w jednych sytuacjach pracowały perfekcyjnie synchronicznie, niczym muzycy grający unisono, w innych jeden z obwodów przejmował rolę lidera, w jeszcze innych wzajemne powiązanie oscylatorów było tak zagmatwane, że ujawniało się dopiero po przeprowadzeniu uważnej analizy statystycznej.

W celu przyspieszenia rozwoju badań naukowych nad systemami elektronicznymi imitującymi zachowanie ludzkiego mózgu, schematy wszystkich układów znalezionych przez fizyków z IFJ PAN zostały upublicznione. (ftp://ftp.aip.org/epaps/chaos/E-CHAOEH-27-012707). (PAP)

autor: Ludwika Tomala

Nauka w Polsce

lt/ agt/

Partnerzy

Copyright © Fundacja PAP 2017