Física

Sensores de todos os tipos, de acelerômetros a termômetros, podem ser prejudicados por flutuações aleatórias (ruído) no ambiente, que podem atrapalhar os sinais que pretendem detectar. Mas um novo estudo mostra como o ruído pode realmente ser usado para melhorar a sensibilidade dos sensores [1]. Em experimentos usando um sensor vestível sem fio que monitora a respiração de uma pessoa durante o exercício, os pesquisadores mostraram que a capacidade do sensor de detectar sinais fracos é maior não quando a entrada é livre de ruído, mas quando inclui uma quantidade modesta de ruído.

A maioria das tentativas de lidar com os efeitos prejudiciais do ruído na detecção concentra-se em reduzi-lo ou removê-lo, por exemplo, usando filtragem ou cancelamento de ruído ativo. No entanto, há muito se sabe que alguns sistemas não lineares - onde o sinal de saída não é simplesmente proporcional à entrada - podem se beneficiar do ruído por meio de um efeito chamado ressonância estocástica [2]. Este fenômeno, onde uma quantidade modesta de ruído realmente aumenta a saída, é explorado por alguns sistemas biológicos, como órgãos em lagostins que detectam movimento [3]. A ressonância estocástica também foi relatada em vários circuitos eletrônicos especializados e dispositivos mecânicos.

Agora, uma equipe em Cingapura e na China, liderada pelo engenheiro eletrônico John Ho, da Universidade Nacional de Cingapura, mostrou como induzir ressonância estocástica para melhorar a sensibilidade em um sensor mecânico. A chave é operar o dispositivo perto de um chamado ponto excepcional (EP), onde a não linearidade é particularmente forte.

EPs ocorrem em sistemas ressonantes que podem trocar energia com seus ambientes. Esses sistemas podem ter frequências ressonantes nas quais vibram naturalmente na ausência de uma força motriz periódica – por exemplo, uma ponte que vibra em resposta ao vento. Duas dessas frequências ressonantes (chamadas autofrequências) podem coincidir quando alguma outra propriedade do sistema atinge um determinado valor. Essa coalescência ocorre em um EP e pode induzir um comportamento altamente não linear, de modo que o sistema pode mostrar uma resposta pronunciada a um pequeno sinal.

Em sua pesquisa mais recente, Ho e seus colegas estudam um sensor ressonante que produz uma saída quando a amplitude do sinal de entrada excede algum limite. Eles mostram teoricamente que o ruído na entrada pode induzir EPs em momentos aleatórios, quando o sensor se torna temporariamente mais sensível - um sinal de entrada inicialmente muito fraco para induzir um sinal de saída agora pode fazê-lo. Desta forma, o ruído aumenta o desempenho geral do sensor por ressonância estocástica: a maior relação sinal-ruído não ocorre com ruído zero, mas com alguma amplitude particular de ruído.

Para testar a ideia experimentalmente, os pesquisadores usaram um sensor de movimento que consiste em dois pares de remendos ovais sobrepostos de fios de prata tecidos em um tecido. Um par é usado na pele e o outro em uma peça de roupa colocada sobre o primeiro. Os patches eletricamente condutivos podem atuar como placas carregadas de capacitores em circuitos elétricos conhecidos como ressonadores LC. Quando a distância entre os dois ressonadores muda por causa dos movimentos do usuário – por exemplo, devido à respiração – o acoplamento entre eles também muda. Essa mudança altera a frequência de ressonância dos patches na roupa, cuja ressonância é monitorada sem fio e usada como sinal de saída. Tal dispositivo pode sentir a respiração.

Nos experimentos, à medida que o movimento do usuário se tornava mais vigoroso, de ficar de pé para andar e correr, o ruído da entrada aumentava, induzindo EPs estocásticos no sensor, que criavam a melhoria prevista na sensibilidade. A relação sinal-ruído do sensor aumentou inicialmente à medida que o nível de ruído aumentava, atingindo um máximo antes de cair novamente quando o ruído inundou o sinal: a assinatura característica da ressonância estocástica. Como resultado, o sensor continuou a funcionar bem para monitorar a frequência respiratória durante a caminhada, ao passo que, sem o aumento da ressonância estocástica, ele só conseguia detectar a frequência com clareza quando o sujeito estava parado.