Física

Los sensores de todo tipo, desde acelerómetros hasta termómetros, pueden verse obstaculizados por fluctuaciones aleatorias (ruido) en el entorno, que pueden inundar las señales que pretenden detectar. Pero un nuevo estudio muestra cómo el ruido podría usarse para mejorar la sensibilidad de los sensores [1]. En experimentos que utilizaron un sensor portátil inalámbrico que monitorea la respiración de una persona durante el ejercicio, los investigadores demostraron que la capacidad del sensor para detectar señales débiles es mayor no cuando la entrada está libre de ruido sino cuando incluye una cantidad modesta de ruido.

La mayoría de los intentos de lidiar con los efectos perjudiciales del ruido en la detección se enfocan en reducirlo o eliminarlo, por ejemplo, mediante filtrado o cancelación activa de ruido. Sin embargo, se sabe desde hace mucho tiempo que algunos sistemas no lineales, donde la señal de salida no es simplemente proporcional a la entrada, pueden beneficiarse del ruido a través de un efecto llamado resonancia estocástica [2]. Este fenómeno, en el que una cantidad modesta de ruido aumenta la salida, es aprovechado por algunos sistemas biológicos, como los órganos de los cangrejos de río que detectan el movimiento [3]. La resonancia estocástica también se ha informado en varios circuitos electrónicos especializados y dispositivos mecánicos.

Ahora, un equipo en Singapur y China, dirigido por el ingeniero electrónico John Ho de la Universidad Nacional de Singapur, ha demostrado cómo inducir resonancia estocástica para mejorar la sensibilidad en un sensor mecánico. La clave es operar el dispositivo cerca del llamado punto excepcional (EP), donde la no linealidad es particularmente fuerte.

Los EP se producen en sistemas resonantes que pueden intercambiar energía con su entorno. Dichos sistemas pueden tener frecuencias resonantes a las que vibran naturalmente en ausencia de una fuerza impulsora periódica, por ejemplo, un puente que vibra en respuesta al viento. Dos de estas frecuencias resonantes (llamadas frecuencias propias) pueden coincidir cuando alguna otra propiedad del sistema alcanza cierto valor. Esta coalescencia ocurre en un EP y puede inducir un comportamiento altamente no lineal, por lo que el sistema podría mostrar una respuesta pronunciada a una pequeña señal.

En su última investigación, Ho y sus colegas estudian un sensor resonante que produce una salida cuando la amplitud de la señal de entrada supera cierto umbral. Muestran teóricamente que el ruido en la entrada puede inducir EP en momentos aleatorios, con lo cual el sensor se vuelve temporalmente más sensible; una señal de entrada inicialmente demasiado débil para inducir una señal de salida ahora puede hacerlo. De esta manera, el ruido aumenta el rendimiento general del sensor por resonancia estocástica: la mayor relación señal-ruido no se produce con ruido cero, sino con una amplitud particular de ruido.

Para probar la idea experimentalmente, los investigadores utilizaron un sensor de movimiento que consiste en dos pares de parches ovalados superpuestos de hilo de plata entretejidos en un tejido. Un par se lleva sobre la piel y el otro sobre una prenda colocada sobre el primero. Los parches eléctricamente conductores pueden actuar como placas cargadas de capacitores en circuitos eléctricos conocidos como resonadores LC. Cuando la distancia entre los dos resonadores cambia debido a los movimientos del usuario, por ejemplo, debido a la respiración, el acoplamiento entre ellos también cambia. Este cambio altera la frecuencia de resonancia de los parches en la ropa, cuya resonancia se monitorea de forma inalámbrica y se utiliza como señal de salida. Tal dispositivo puede sentir la respiración.

En los experimentos, a medida que el movimiento del usuario se volvía más vigoroso, desde estar de pie hasta caminar y correr, el ruido de la entrada aumentaba, induciendo EP estocásticos en el sensor, lo que creaba la mejora prevista en la sensibilidad. La relación señal-ruido del sensor aumentó inicialmente a medida que aumentaba el nivel de ruido, alcanzando un máximo antes de volver a disminuir cuando el ruido inundó la señal: la firma característica de la resonancia estocástica. Como resultado, el sensor siguió funcionando bien para controlar la frecuencia respiratoria al caminar, mientras que sin el impulso de la resonancia estocástica solo podía detectar la frecuencia limpiamente cuando el sujeto estaba parado.

Ho y sus colegas dicen que este efecto podría explotarse para mejorar el control de la atención médica, siendo adaptable a sensores para el latido del corazón, la marcha y la producción de sudor, por ejemplo. Dicen que también podría mejorar la detección de parámetros ambientales como la presión, la temperatura o la humedad.

"Estoy realmente impresionado de que [Ho y sus colegas] hayan demostrado esta ingeniosa idea en una aplicación del mundo real", dice Liang Jiang, experto en detección cuántica de la Universidad de Chicago. "Es realmente una demostración genial". El físico de materia condensada Mark Dykman de la Universidad Estatal de Michigan dice que es valioso explorar el comportamiento alrededor de puntos excepcionales en presencia de ruido. "Este es un elemento nuevo en la larga lista de fenómenos de resonancia estocástica 'no convencionales'", dice.

–Felipe Bola

Philip Ball es un escritor científico independiente en Londres. Su último libro es The Modern Myths (University of Chicago Press, 2021).

Zhipeng Li, Chenhui Li, Ze Xiong, Guoqiang Xu, Yongtai Raymond Wang, Xi Tian, ​​Xin Yang, Zhu Liu, Qihang Zeng, Rongzhou Lin, Ying Li, Jason Kai Wei Lee, John S. Ho y Cheng-Wei Qiu

física Rev. Lett. 130, 227201 (2023)

Publicado el 2 de junio de 2023

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