Physik

Sensoren aller Art, von Beschleunigungsmessern bis hin zu Thermometern, können durch zufällige Schwankungen (Rauschen) in der Umgebung beeinträchtigt werden, die die Signale, die sie erfassen sollen, überlagern können. Doch eine neue Studie zeigt, wie Rauschen tatsächlich genutzt werden könnte, um die Empfindlichkeit von Sensoren zu verbessern [1]. In Experimenten mit einem drahtlosen tragbaren Sensor, der die Atmung einer Person während des Trainings überwacht, zeigten die Forscher, dass die Fähigkeit des Sensors, schwache Signale zu erkennen, am besten ist, und zwar nicht dann, wenn die Eingabe rauschfrei ist, sondern wenn sie eine moderate Menge an Rauschen enthält.

Die meisten Versuche, mit den schädlichen Auswirkungen von Lärm bei der Wahrnehmung umzugehen, konzentrieren sich darauf, ihn zu reduzieren oder zu beseitigen, beispielsweise durch Filterung oder aktive Geräuschunterdrückung. Es ist jedoch seit langem bekannt, dass einige nichtlineare Systeme – bei denen das Ausgangssignal nicht einfach proportional zum Eingang ist – durch einen Effekt namens „stochastische Resonanz“ von Rauschen profitieren können [2]. Dieses Phänomen, bei dem eine geringe Menge Lärm die Leistung tatsächlich steigert, wird von einigen biologischen Systemen ausgenutzt, beispielsweise den Organen von Flusskrebsen, die Bewegungen erkennen [3]. Über stochastische Resonanz wurde auch in verschiedenen speziellen elektronischen Schaltkreisen und mechanischen Geräten berichtet.

Jetzt hat ein Team in Singapur und China unter der Leitung des Elektronikingenieurs John Ho von der National University of Singapore gezeigt, wie man stochastische Resonanz induziert, um die Empfindlichkeit eines mechanischen Sensors zu verbessern. Der Schlüssel liegt darin, das Gerät nahe einem sogenannten Ausnahmepunkt (EP) zu betreiben, an dem die Nichtlinearität besonders stark ist.

EPs treten in Resonanzsystemen auf, die Energie mit ihrer Umgebung austauschen können. Solche Systeme können Resonanzfrequenzen haben, bei denen sie ohne periodische Antriebskraft natürlicherweise vibrieren – beispielsweise eine Brücke, die als Reaktion auf Wind vibriert. Zwei solcher Resonanzfrequenzen (Eigenfrequenzen genannt) können zusammenfallen, wenn eine andere Eigenschaft des Systems einen bestimmten Wert erreicht. Diese Koaleszenz findet an einem EP statt und kann ein stark nichtlineares Verhalten hervorrufen, sodass das System möglicherweise eine ausgeprägte Reaktion auf ein kleines Signal zeigt.

In ihrer neuesten Forschung untersuchen Ho und Kollegen einen Resonanzsensor, der einen Ausgang erzeugt, wenn die Amplitude des Eingangssignals einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Sie zeigen theoretisch, dass Rauschen im Eingang zu zufälligen Zeitpunkten EPs auslösen kann, woraufhin der Sensor vorübergehend empfindlicher wird – ein Eingangssignal, das zunächst zu schwach ist, um ein Ausgangssignal zu induzieren, kann dies nun tun. Auf diese Weise steigert das Rauschen die Gesamtleistung des Sensors durch stochastische Resonanz: Das größte Signal-Rausch-Verhältnis liegt nicht bei Nullrauschen, sondern bei einer bestimmten Rauschamplitude.

Um die Idee experimentell zu testen, verwendeten die Forscher einen Bewegungssensor, der aus zwei Paaren übereinanderliegender, ovaler Silberfadenflicken bestand, die in ein Textil eingewebt waren. Ein Paar wird auf der Haut getragen, das andere auf einem Kleidungsstück, das darüber gelegt wird. Die elektrisch leitenden Flächen können als geladene Platten von Kondensatoren in elektrischen Schaltkreisen fungieren, die als LC-Resonatoren bekannt sind. Wenn sich der Abstand zwischen den beiden Resonatoren aufgrund von Bewegungen des Trägers – beispielsweise durch die Atmung – ändert, ändert sich auch die Kopplung zwischen ihnen. Durch diese Änderung verändert sich die Resonanzfrequenz der Patches auf der Kleidung, deren Resonanz drahtlos überwacht und als Ausgangssignal verwendet wird. Ein solches Gerät kann die Atmung wahrnehmen.

In den Experimenten nahm das Rauschen der Eingabe zu, als die Bewegung des Trägers kräftiger wurde, vom Stehen zum Gehen und Laufen, was zu stochastischen EPs im Sensor führte, was dann zu der vorhergesagten Verbesserung der Empfindlichkeit führte. Das Signal-Rausch-Verhältnis des Sensors stieg zunächst mit zunehmendem Rauschpegel an, erreichte ein Maximum, bevor es wieder abnahm, als Rauschen das Signal überflutete: die charakteristische Signatur der stochastischen Resonanz. Infolgedessen funktionierte der Sensor weiterhin gut zur Überwachung der Atemfrequenz beim Gehen, wohingegen er ohne die Verstärkung durch stochastische Resonanz die Frequenz nur dann sauber erfassen konnte, wenn die Testperson stillstand.

Ho und Kollegen sagen, dass dieser Effekt genutzt werden könnte, um die Gesundheitsüberwachung zu verbessern, indem er beispielsweise an Sensoren für Herzschlag, Gang und Schweißproduktion angepasst werden könnte. Sie sagen, dass es auch die Wahrnehmung von Umgebungsparametern wie Druck, Temperatur oder Luftfeuchtigkeit verbessern könnte.

„Ich bin wirklich beeindruckt, dass [Ho und Kollegen] diese clevere Idee in einer realen Anwendung demonstriert haben“, sagt Liang Jiang, Experte für Quantensensorik an der University of Chicago. „Es ist wirklich eine coole Demonstration.“ Mark Dykman, Physiker für kondensierte Materie von der Michigan State University, sagt, dass es wertvoll sei, das Verhalten an außergewöhnlichen Punkten bei Vorhandensein von Lärm zu untersuchen. „Dies ist ein neuer Punkt in der langen Liste ‚unkonventioneller‘ stochastischer Resonanzphänomene“, sagt er.

–Philip Ball

Philip Ball ist ein freiberuflicher Wissenschaftsautor in London. Sein neuestes Buch ist 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 und Cheng-Wei Qiu

Physik. Rev. Lett. 130, 227201 (2023)

Veröffentlicht am 2. Juni 2023

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