物理

加速度計から温度計まで、あらゆる種類のセンサーは、環境内のランダムな変動 (ノイズ) によって妨げられる可能性があり、検出しようとする信号が妨害される可能性があります。 しかし、新しい研究では、センサーの感度を向上させるためにノイズが実際にどのように使用されるかを示しています[1]。 運動中の人の呼吸を監視するワイヤレスウェアラブルセンサーを使用した実験で、研究者らは、入力にノイズがない場合ではなく、適度な量のノイズが含まれる場合に、センサーの弱い信号を検出する能力が最大になることを示しました。

センシングにおけるノイズの悪影響に対処する試みのほとんどは、フィルタリングやアクティブ ノイズ キャンセルなどを使用して、ノイズを低減または除去することに重点を置いています。 ただし、出力信号が入力に単純に比例しない一部の非線形システムでは、確率共鳴と呼ばれる効果を通じてノイズの恩恵を受けることができることは以前から知られていました [2]。 適度な量のノイズが実際に出力を高めるこの現象は、動きを検出するザリガニの器官など、いくつかの生物学的システムによって利用されています[3]。 確率共鳴は、さまざまな特殊な電子回路や機械デバイスでも報告されています。

シンガポール国立大学のエレクトロニクス技術者ジョン・ホー氏が率いるシンガポールと中国のチームは、確率的共鳴を誘発して機械センサーの感度を向上させる方法を示した。 重要なのは、非線形性が特に強い、いわゆる例外点 (EP) の近くでデバイスを動作させることです。

EP は、環境とエネルギーを交換できる共鳴システムで発生します。 このようなシステムは、周期的な駆動力がない場合に自然に振動する共振周波数を持っている場合があります (たとえば、風に反応して振動する橋など)。 このような 2 つの共振周波数 (固有周波数と呼ばれます) は、システムの他の特性が特定の値に達すると一致することがあります。 この合体は EP で発生し、高度に非線形な動作を引き起こす可能性があるため、システムは小さな信号に対して顕著な応答を示す可能性があります。

Ho らは最新の研究で、入力信号の振幅があるしきい値を超えたときに出力を生成する共振センサーを研究しています。 彼らは、入力のノイズがランダムな瞬間に EP を誘発する可能性があり、その後センサーが一時的に感度を高めることを理論的に示しています。最初は入力信号が弱すぎて出力信号を誘発できない場合があります。 このように、ノイズは確率的共鳴によってセンサーの全体的なパフォーマンスを向上させます。最大の信号対ノイズ比は、ノイズがゼロではなく、ノイズの特定の振幅で得られます。

このアイデアを実験的にテストするために、研究者らは、織物に織り込まれた銀糸の楕円形のパッチを 2 対重ね合わせた動きセンサーを使用しました。 1 つのペアは肌に着用し、もう 1 つは最初のペアの上に置かれた衣類の上に着用します。 導電性パッチは、LC 共振器として知られる電気回路内のコンデンサの帯電プレートとして機能します。 着用者の動き（呼吸など）によって 2 つの共振器間の距離が変化すると、それらの間の結合も変化します。 この変化により衣服上のパッチの共振周波数が変化し、その共振がワイヤレスで監視され、出力信号として使用されます。 このようなデバイスは呼吸を感知できます。

実験では、着用者の動作が立位から歩行、走行まで激しくなるにつれて、入力のノイズが増加し、センサー内で確率的 EP が誘発され、予測される感度の向上が生じました。 センサーの信号対雑音比は、最初はノイズ レベルの増加に伴って増加し、最大値に達した後、ノイズが信号に押し寄せると再び減少しました。これは確率的共鳴の特徴です。 その結果、センサーは歩行中の呼吸数の監視には引き続き良好に機能しましたが、確率的共鳴によるブーストがないと、被験者が静止している場合にのみ呼吸数を正確に検出できました。

ホー氏らは、この効果を利用して、例えば心拍、歩行、発汗量などのセンサーに適応でき、医療モニタリングを改善できる可能性があると述べている。 彼らは、圧力、温度、湿度などの環境パラメータの感知も改善する可能性があると述べています。

シカゴ大学の量子センシングの専門家である梁江氏は、「（ホー氏らの研究者らが）この賢いアイデアを現実世界の応用で実証したことに本当に感心している」と語る。 「本当にクールなデモンストレーションですね。」 ミシガン州立大学の凝縮物物理学者マーク・ダイクマン氏は、ノイズが存在する例外的な点の周囲での挙動を調査することは価値があると述べています。 「これは、『型破りな』確率共鳴現象の長いリストの中の新しい項目です」と彼は言う。

–フィリップ・ボール

フィリップ・ボールはロンドン在住のフリーランスのサイエンスライターです。 彼の最新の著書は『The Modern Myths』（シカゴ大学出版局、2021年）です。

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、および Cheng-Wei邱

物理学。 レット牧師。 130、227201 (2023)

2023 年 6 月 2 日発行

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