Chaos rządzi nawet prostą elektroniką
To naprawdę zaskakujące: okazuje się, że wśród prostych układów elektronicznych, zbudowanych z zaledwie paru elementów, wiele zachowuje się chaotycznie, w niezwykle skomplikowany, praktycznie niemożliwy do przewidzenia sposób. 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.
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" przedstawili oni 49 nowych, nietypowych
chaotycznych oscylatorów elektronicznych - nie zaprojektowanych, lecz odkrytych za pomocą
symulacji komputerowych.
"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 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.
Strukturę układów, tworzoną z elementów dostępnych komercyjnie, odwzorowywano jako ciąg 85
bitów. Modelowane układy w maksymalnej konfiguracji składały się ze źródła zasilania, dwóch
tranzystorów, opornika i sześciu kondensatorów lub cewek, połączonych w obwód zawierający
osiem węzłów. Tak przygotowane ciągi bitów poddawano następnie przypadkowym modyfikacjom. 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 i podkreśla, że 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.
Fizycy z IFJ PAN analizowali działanie nowych układów za pomocą programu SPICE,
powszechnie stosowanego przy projektowaniu obwodów elektronicznych. W przypadku zachowań chaotycznych możliwości symulacyjne SPICE okazały się jednak niewystarczające. Dlatego 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. Analizy statystyczne sygnałów
wytwarzanych przez nowe oscylatory nie wykazały jednak śladów dwóch istotnych cech
spotykanych w wielu układach samoorganizujących: krytyczności i multifraktalności.
"O multifraktalności można byłoby mówić, gdyby różne fragmenty wykresu obrazującego zmiany
napięcia, powiększane w różnych miejscach w różny sposób, ujawniały podobny do pierwotnego
charakter zmian. Z kolei z krytycznością mielibyśmy do czynienia, gdyby układ znajdował się w
stanie, w którym w każdej chwili mógłby przechodzić z trybu regularnego do chaotycznego bądź
odwrotnie. Takich zjawisk w badanych oscylatorach nie zauważyliśmy", tłumaczy prof. dr hab.
Stanisław Drożdż (IFJ PAN, Politechnika Krakowska) i dodaje: "Układy w stanie krytycznym na
ogół mają więcej możliwości reagowania na zmiany w swoim środowisku. Nic więc dziwnego, że
krytyczność jest zjawiskiem dość często spotykanym w naturze. Wiele wskazuje, że układem pracującym w stanie krytycznym jest na przykład ludzki mózg".
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! Gdyby nie brak krytyczności i
multifraktalności, szybkość pracy tego obwodu uprawniałaby do mówienia wręcz o elektronicznym
superneuronie. Być może taki układ istnieje, tylko my go jeszcze nie znaleźliśmy. Na razie musimy
się więc zadowolić 'prawie superneuronem'", komentuje z uśmiechem dr Minati.
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. Zainteresowani mogą je pobrać z adresu:
ftp://ftp.aip.org/epaps/chaos/E-CHAOEH-27-012707.
Instytut Fizyki Jądrowej PAN (IFJ PAN) w Krakowie zajmuje się strukturą materii i własnościami oddziaływań fundamentalnych od skali
kosmicznej po wnętrza cząstek elementarnych. Wyniki badań - obejmujących fizykę i astrofizykę cząstek, fizykę jądrową i oddziaływań
silnych, fazy skondensowanej materii, fizykę medyczną, inżynierię nanomateriałów, geofizykę, biologię radiacyjną i środowiskową,
radiochemię, dozymetrię oraz fizykę i ochronę środowiska - są każdego roku przedstawiane w ponad 600 artykułach publikowanych
w recenzowanych czasopismach naukowych. Częścią Instytutu jest nowoczesne Centrum Cyklotronowe Bronowice, unikalny w skali
europejskiej ośrodek obok badań naukowych zajmujący się terapią protonową nowotworów. IFJ PAN jest członkiem Krakowskiego
Konsorcjum Naukowego "Materia-Energia-Przyszłość" o statusie Krajowego Naukowego Ośrodka Wiodącego (KNOW) na lata 2012-
2017. Instytut zatrudnia ponad pół tysiąca pracowników. W kategoryzacji MNiSW Instytut został zaliczony do kategorii naukowej A+
w grupie nauk ścisłych i inżynierskich.
opublikowano: 2017-10-19
poleca:
