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 odkryli, przebadali i opisali kilkadziesiąt nowych, nietypowych układów tego typu. W publikacji w czasopiśmie „Chaos” przedstawili 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 rozumiany chaos to brak porządku w elektronice, o układzie chaotycznym mówi się wówczas, gdy nawet bardzo małe zmiany parametrów wejściowych skutkują dużymi zmianami na wyjściu. 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.
– 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: – 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.
Większość znalezionych układów wykazywała nietrywialne, chaotyczne zachowania o niekiedy zadziwiającej skali złożoności. 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 – tłumaczy prof. dr hab. Stanisław Drożdż. – Układy w stanie krytycznym na ogół mają więcej możliwości reagowania na zmiany w swoim środowisku.
Krytyczność jest zjawiskiem dość często spotykanym w naturze. Wiele wskazuje, że układem pracującym w stanie krytycznym jest na przykład ludzki mózg. Tymczasem jeden ze znalezionych oscylatorów 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 dr Minati.
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.
Jk
(źródło: IFJ PAN)