Fisica

I sensori di tutti i tipi, dagli accelerometri ai termometri, possono essere ostacolati da fluttuazioni casuali (rumore) nell'ambiente, che possono oscurare i segnali che mirano a rilevare. Ma un nuovo studio mostra come il rumore potrebbe effettivamente essere utilizzato per migliorare la sensibilità dei sensori [1]. Negli esperimenti che utilizzano un sensore indossabile wireless che monitora la respirazione di una persona durante l'esercizio, i ricercatori hanno dimostrato che la capacità del sensore di rilevare segnali deboli è maggiore non quando l'input è privo di rumore ma quando include una modesta quantità di rumore.

La maggior parte dei tentativi di affrontare gli effetti dannosi del rumore nel rilevamento si concentra sulla riduzione o rimozione dello stesso, ad esempio utilizzando il filtraggio o la cancellazione attiva del rumore. Tuttavia, è noto da tempo che alcuni sistemi non lineari, in cui il segnale di uscita non è semplicemente proporzionale all’ingresso, possono trarre vantaggio dal rumore attraverso un effetto chiamato risonanza stocastica [2]. Questo fenomeno, in cui una modesta quantità di rumore effettivamente aumenta l'uscita, viene sfruttato da alcuni sistemi biologici, come gli organi dei gamberi che rilevano il movimento [3]. La risonanza stocastica è stata riscontrata anche in vari circuiti elettronici specializzati e dispositivi meccanici.

Ora un team di Singapore e in Cina, guidato dall’ingegnere elettronico John Ho dell’Università Nazionale di Singapore, ha mostrato come indurre la risonanza stocastica per migliorare la sensibilità in un sensore meccanico. La chiave è far funzionare il dispositivo vicino a un cosiddetto punto eccezionale (EP), dove la non linearità è particolarmente forte.

Gli EP si verificano in sistemi risonanti che possono scambiare energia con i loro ambienti. Tali sistemi possono avere frequenze di risonanza alle quali vibrano naturalmente in assenza di una forza motrice periodica, ad esempio un ponte che vibra in risposta al vento. Due di queste frequenze di risonanza (chiamate frequenze proprie) possono coincidere quando qualche altra proprietà del sistema raggiunge un certo valore. Questa coalescenza avviene in corrispondenza di un EP e può indurre un comportamento altamente non lineare, in modo che il sistema possa mostrare una risposta pronunciata a un piccolo segnale.

Nella loro ultima ricerca, Ho e colleghi studiano un sensore risonante che produce un'uscita quando l'ampiezza del segnale di ingresso supera una certa soglia. In teoria mostrano che il rumore in ingresso può indurre EP in momenti casuali, dopodiché il sensore diventa temporaneamente più sensibile: un segnale in ingresso inizialmente troppo debole per indurre un segnale in uscita ora può farlo. In questo modo, il rumore aumenta le prestazioni complessive del sensore mediante risonanza stocastica: il rapporto segnale-rumore maggiore non si ha con rumore zero ma con una particolare ampiezza di rumore.

Per testare sperimentalmente l’idea, i ricercatori hanno utilizzato un sensore di movimento costituito da due paia di toppe ovali sovrapposte di filo d’argento intrecciate in un tessuto. Un paio si indossa sulla pelle e l'altro su un indumento posto sopra il primo. Le patch elettricamente conduttive possono agire come piastre cariche di condensatori in circuiti elettrici noti come risonatori LC. Quando la distanza tra i due risonatori cambia a causa dei movimenti di chi li indossa, ad esempio a causa della respirazione, cambia anche l'accoppiamento tra loro. Questa modifica altera la frequenza di risonanza dei cerotti sugli indumenti, la cui risonanza viene monitorata in modalità wireless e utilizzata come segnale di uscita. Un tale dispositivo può rilevare la respirazione.

Negli esperimenti, quando il movimento di chi lo indossava diventava più vigoroso, dallo stare in piedi alla camminata e alla corsa, il rumore dell'input aumentava, inducendo EP stocastici nel sensore, che poi creavano il previsto miglioramento della sensibilità. Il rapporto segnale-rumore del sensore inizialmente aumentava all'aumentare del livello di rumore, raggiungendo un massimo prima di diminuire nuovamente quando il rumore sommergeva il segnale: la firma caratteristica della risonanza stocastica. Di conseguenza, il sensore ha continuato a funzionare bene per monitorare la frequenza respiratoria durante la deambulazione, mentre senza l’aiuto della risonanza stocastica poteva rilevare in modo pulito la frequenza solo quando il soggetto era fermo.