整体可以在事物的每一部分中找到的抽象概念长期以来一直吸引着哲学和实验科学各行各业的思想家，从时间本质的伊曼纽尔康德到秩序概念的大卫玻姆，以及自我-分形结构与全息图定义属性的相似性。

通过一小段频谱同步混沌

然而，它仍然与电子工程无关，这是可以理解的，电子工程致力于开发更专业、更高效的电路，交换具有高度受控特性的信号。相比之下，在自然界中最多样化的复杂系统中，例如大脑，具有在不同时间尺度或频率上相似地呈现自身的特征的活动的产生几乎是无处不在的观察结果。

为了探索新的和非正统的方法来设计能够解决困难的计算和控制问题的系统，物理学家和工程师几十年来一直在研究由混沌振荡器组成的网络。这些系统可以使用模拟电子、光学和机械组件轻松实现。

它们引人注目的特性是，尽管它们的结构非常简单，但它们可以产生同时极其复杂且远非随机的行为。

“混沌需要对初始条件极其敏感，这意味着每个时间点的活动实际上是不可预测的。然而，一个关键的方面是混沌信号产生的轨迹的几何排列具有明确定义的属性，除了分布频率,相当稳定和可重复.由于这些功能可以根据电压输入或电阻值等参数设置以多种方式改变,这些电路作为实现新形式的分布式计算的基础很有趣,例如,基于传感器读数，”该研究的主要作者LudovicoMinati博士解释道。

“在我们最近的工作中，我们表明它们可以有效地用于实现可以简化神经网络训练的那种物理储层，”进行该研究的纳米传感部门的博士生JimBartels先生补充道。

当两个或多个混沌振荡器耦合在一起时，最有趣的行为会出现，因为它们在试图找到平衡的同时吸引和排斥它们的活动，这是通常的周期性振荡器根本无法达到的方式。“两年前，我们实验室所做的工作表明，至少在原则上，这些行为可以用作从远处传感器收集读数并直接提供平均值等统计数据的手段，”LudovicoMinati博士补充道。

然而，混沌信号的复杂性意味着它们通常具有宽频谱，这与现代无线通信中通常使用的窄而整齐划定的频谱截然不同。“因此，即使不是不可能，也很难实现空中耦合。这不仅是因为天线通常针对特定频率进行高度调谐，而且尤其是因为无线电法规不允许广播，除非在严格定义的范围内地区，”该研究的第二作者、硕士生李博彦先生解释道。

迄今为止，有大量文献涵盖了混沌振荡器集合中可能产生的许多影响。例如，可能会出现优先相互同步的小组节点，有点像一群人在聚会上聚集在一起，以及意想不到的远程相互依赖，这让我们想起了大脑中的绑定问题。

然而，令人惊讶的是，几乎没有研究考虑过通过一种机制(基本上是一个滤波器)耦合混沌振荡器的可能性(或其他方式)，它只传输一个狭窄的频率范围。出于这个原因，东京工业大学的研究人员决定探索一对混沌振荡器的行为。他们使用一个滤波器将它们耦合起来，他们可以轻松地调整该滤波器以仅允许狭窄的频率范围通过，同时暂时保留它们之间的有线连接。

“我们决定使用一种非常简单的混沌振荡器，它只涉及一个晶体管和少量无源元件，被称为Minati-Frasca振荡器。大约五年前，来自意大利和正如最近一本书中所概述的那样，它具有许多显着的特性。最近，我们对了解它们及其几种潜在应用产生了兴趣，”进行这项研究的纳米传感单元负责人HiroyukiIto博士解释道。

基于模拟和测量，研究团队能够证明，即使不转移整个广谱，但只是其中相对较窄的“片段”，实际上也可以同步这些振荡器。他们喜欢将此比作在部分中至少部分地找到整体的情况。

当在较低的千兆赫兹区域运行时，靠近第一代无线设备工作的地方，振荡器可以在仅传输百分之几的带宽时同步。正如预期的那样，同步没有完成，这意味着振荡器没有完全跟随彼此的活动。

“这种不完整或微弱的相互依赖恰恰是最有趣的效果可以出现在节点网络级别的区域。正如我们之前的一项工作所示，振荡器和神经元之间非常相似。这些是代表基于涌现行为实施分布式计算的下一个前沿机制，正如全球许多研究小组所追求的那样，”意大利卡塔尼亚大学的MattiaFrasca博士补充道，他最初与Minati博士共同发现了这些电路，后来一起分析它们的行为以及与自然界中其他系统的关系，并提供了几个理论基础，东京工业大学的研究人员将其用于研究。

研究人员观察到，虽然一小段频谱足以获得一些可检测的同步，但滤波器的中心位置和宽度具有重要影响。使用多种分析技术，他们可以看到在某些区域，从属振荡器的活动以明显的方式跟踪滤波器设置，而在其他区域，出现了不同且相当复杂的效果。

“这是这些电路可用行为丰富性的一个很好的例子，这些电路在电子工程界仍然不广为人知。与周期性系统的简单响应相比，它是完全不同的，周期性系统要么彼此锁定，要么彼此不锁定。距离我们真正能够利用这些现象实现有效的应用还有很长的路要走，所以必须说这是目前的基础研究。但是，想到未来我们可能会在某些方面实现传感也使用这些不寻常的方法，”该研究的合著者、博士生李子轩补充道。

在这次采访之后，该团队解释说，首先需要通过更深入地了解现象以及如何利用它们来产生有趣的集体活动来扩展此类研究。然后，两个主要的工程挑战将是在实际无线链路上演示耦合，同时满足所有无线电要求，并使用他们之前研究的一些结果来显着降低功耗。

“如果找到应对这些挑战的成功解决方案，那么我们的主要目标之一就是在对社会重要的应用中展示可用的分布式传感，例如监测精准农业中的土地状况，”HiroyukiIto博士总结道。该方法和结果在最近发表在Chaos,Solitons&Fractals上的一篇文章中有所报道，并且所有实验记录都已免费提供给其他人在未来的工作中使用。