با بهره‌برداری از پدیده‌ای به نام تشدید تصادفی، حسگرها می‌توانند در محیط‌های پر آشوب بهتر از محیط‌های بدون نویز عمل کنند.

نویز چیز خوبی است. این دو تکه -یکی روی پوست و دیگری روی یک لباس نزدیک به بدن – از سیم نقره‌ بافته شده‌اند که نقش تشدیدکننده را دارد. جفت شدگی بین آنها با حرکات شخص تغییر می کند و یک سیستم حسگر بی سیم ایجاد می کند که می تواند میزان تنفس را در حالت های مختلف فرد کنترل کند. نویز تصادفی ممکن است این سیگنال دوره ای را ناواضح کند، به عنوان مثال، زمانی که کاربر با شدت بیشتری حرکت می کند. اما با تنظیم سیستم برای بهره‌برداری از پدیده تشدید تصادفی، در واقع می‌توان حسگر را در حضور مقدار متوسطی از نویز حتی حساس‌تر کرد، به طوری که حسگر در حین راه رفتن کاربر مؤثر باقی می‌ماند.

در سنسورهای مختلف، از شتاب‌سنج گرفته تا دماسنج، نوسانات تصادفی (نویز) در محیط، می تواند سیگنال‌هایی که باید تشخیص داده شوند را مختل کند. اما یک مطالعه جدید نشان می دهد که چگونه می توان از نویز در واقع برای بهبود حساسیت حسگرها استفاده کرد [1]. در آزمایش‌هایی با استفاده از یک حسگر پوشیدنی بی‌سیم که تنفس فرد را در حین ورزش نظارت می‌کند، محققان نشان دادند که توانایی سنسور برای تشخیص سیگنال‌های ضعیف، نه زمانی که ورودی بدون نویز است بلکه زمانی بیشترین خواهد بود که شامل مقدار متوسطی از نویز باشد.

بیشتر تلاش‌ها برای مقابله با اثرات مضر نویز در حس کردن، بر کاهش یا حذف آن تمرکز می‌کنند. به عنوان مثال، با استفاده از فیلتر کردن یا حذف نویز فعال. با این حال، مدت‌هاست که مشخص شده است که برخی از سیستم‌های غیرخطی - که در آن سیگنال خروجی صرفاً متناسب با ورودی نیست - می‌توانند از طریق اثری به نام تشدید تصادفی [2] از نویز بهره ببرند. این پدیده، که در آن مقدار متوسطی از نویز در واقع خروجی را افزایش می‌دهد، توسط برخی از سیستم‌های بیولوژیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد [3].

اکنون تیمی در سنگاپور و چین با هدایت مهندس الکترونیک جان هو John Ho از دانشگاه ملی سنگاپور، نشان داده اند که چگونه می توان تشدید تصادفی را برای بهبود حساسیت در یک حسگر مکانیکی القا کرد. نکته کلیدی این است که دستگاه در نزدیک به نقطه­­ی به اصطلاح استثنایی (EP) کار کند، جایی که غیرخطی بودن به ویژه قوی است.

آشکارساز حرکت با فناوری بالا. خرچنگ ها دارای موهای حسی روی پره دم خود هستند که می تواند حرکات جزئی در اطراف خود مانند ارتعاشات یا جریان آب را تشخیص دهد، نورون‌هایی که با حرکات موها فعال می‌شوند، حساسیتی دارند که با تشدید تصادفی افزایش می‌یابد، به طوری که در یک محیط تا حدودی پر سر و صدا بهترین عملکرد را دارند.

EP ها در سیستم های تشدید کننده ای رخ می دهند که می توانند با محیط خود انرژی مبادله کنند. چنین سیستم‌هایی ممکن است فرکانس‌های تشدیدی داشته باشند که در آن در غیاب نیروی محرکه دوره‌ای به‌طور طبیعی به ارتعاش در می‌آیند، مثل پلی که در پاسخ به باد می‌لرزد. دو تا از این فرکانس های تشدید (موسوم به ویژه فرکانس) ممکن است زمانی که برخی از ویژگی های دیگر سیستم به مقدار معینی می رسند بر هم منطبق شوند. این ادغام در یک EP رخ می‌دهد و می‌تواند رفتار بسیار غیرخطی را القا کند، به طوری که سیستم ممکن است پاسخ واضحی به یک سیگنال کوچک نشان دهد.

هو و همکارانش در جدیدترین تحقیقات خود حسگر تشدید کننده ای را مطالعه کرده اند که زمانی که دامنه سیگنال ورودی از حدی فراتر رود، خروجی تولید می کند. آن ها از نظر تئوری نشان می‌دهند نویز در ورودی می‌تواند EP‌ها را در لحظات تصادفی القا کند، در نتیجه حسگر موقتاً حساس‌تر می‌شود- یعنی یک سیگنال ورودی که در ابتدا برای القای سیگنال خروجی بسیار ضعیف بود، اکنون می تواند این کار را انجام دهد. به این ترتیب، نویز عملکرد کلی حسگر را با تشدید تصادفی بهبود می‌دهد: بیشترین نسبت سیگنال به نویز در نویز صفر نیست، بلکه در دامنه خاصی از نویز است.

محققان برای آزمایش تجربی این ایده، از یک حسگر حرکتی متشکل از دو جفت تکه‌های روکش شده بیضی شکل از نخ نقره‌ که در یک پارچه بافته شده بود، استفاده کردند. یک تکه روی پوست و دیگری روی لباسی که روی آن پوشیده می شود قرار می گیرد. تکه های رسانای الکتریکی می توانند به عنوان صفحات باردار خازن در مدارهای الکتریکی که به عنوان تشدیدگر LC شناخته می شوند، عمل کنند. هنگامی که فاصله بین دو تشدید کننده به دلیل حرکات پوشنده -مثل تنفس- تغییر می کند، جفت شدگی بین آنها نیز تغییر می کند. این تغییر، فرکانس تشدید تکه‌های روی لباس را عوض می کند که تشدید آن به‌صورت بی‌سیم پایش می‌شود و به عنوان سیگنال خروجی مورد استفاده قرار می گیرد. چنین وسیله ای می تواند تنفس را حس کند.

در آزمایش‌ها، با قوی‌تر شدن حرکات کاربر، از ایستادن گرفته تا راه رفتن و دویدن، نویز ورودی افزایش می‌یابد و باعث ایجاد EP‌های تصادفی در حسگر می‌شود که سپس بهبود پیش‌بینی‌شده در حساسیت را ایجاد می‌کند. نسبت سیگنال به نویز حسگر در ابتدا با افزایش سطح نویز افزایش یافت، و قبل از اینکه نویز سیگنال را مجددا خراب کند به حداکثر رسیده و دوباره کاهش می یابد که علامت مشخصه تشدید تصادفی است. در نتیجه، حسگر برای نظارت بر میزان تنفس در حین راه رفتن به خوبی به کار خود ادامه داد، در حالی که بدون تقویت تشدید تصادفی، تنها زمانی که شخص در حالت ثابت ایستاده بود، می‌توانست میزان تنفس را به خوبی تشخیص دهد.

پژوهش گران پروژه اعلام کرده­اند که این اثر می‌تواند برای بهبود نظارت بر مراقبت‌های بهداشتی(حسگرهای ضربان قلب،عرق کردن بدن)مورد استفاده قرار گیرد و ممکن است حسگری پارامترهای محیطی مانند فشار، دما یا رطوبت را نیز بهبود بخشد.

1- Z. Li et al., “Stochastic exceptional points for noise-assisted sensing,” Phys. Rev. Lett. 130, 227201 (2023).

2- L. Gammaitoni et al., “Stochastic resonance,” Rev. Mod. Phys. 70, 223 (1998).

3- J. K. Douglass et al., “Noise enhancement of information transfer in crayfish mechanoreceptors by stochastic resonance,” Nature 365, 337 (1993).

منبع:

Environmental Noise Makes a Sensor More Sensitive