물리학

가속도계부터 온도계까지 모든 종류의 센서는 환경의 무작위 변동(소음)으로 인해 방해를 받을 수 있으며, 이로 인해 감지하려는 신호가 쇄도할 수 있습니다. 그러나 새로운 연구에서는 센서의 감도를 향상시키기 위해 노이즈가 실제로 어떻게 사용될 수 있는지 보여줍니다[1]. 운동 중 사람의 호흡을 모니터링하는 무선 웨어러블 센서를 사용한 실험에서 연구원들은 센서의 약한 신호 감지 능력이 입력에 잡음이 없을 때가 아니라 적당한 양의 잡음이 포함될 때 가장 크다는 것을 보여주었습니다.

감지 시 소음의 해로운 영향을 처리하려는 대부분의 시도는 필터링이나 능동형 소음 제거 등을 사용하여 소음을 줄이거나 제거하는 데 중점을 둡니다. 그러나 출력 신호가 입력에 단순히 비례하지 않는 일부 비선형 시스템은 확률론적 공명이라는 효과를 통해 잡음의 이점을 얻을 수 있다는 것이 오랫동안 알려져 왔습니다[2]. 적당한 양의 노이즈가 실제로 출력을 높이는 이 현상은 움직임을 감지하는 가재의 기관과 같은 일부 생물학적 시스템에서 활용됩니다[3]. 다양한 특수 전자 회로 및 기계 장치에서도 확률론적 공명이 보고되었습니다.

이제 싱가포르 국립 대학교의 전자 공학자 John Ho가 이끄는 싱가포르와 중국의 팀이 확률론적 공명을 유도하여 기계 센서의 감도를 향상시키는 방법을 보여주었습니다. 핵심은 비선형성이 특히 강한 소위 예외점(EP) 가까이에서 장치를 작동하는 것입니다.

EP는 환경과 에너지를 교환할 수 있는 공명 시스템에서 발생합니다. 이러한 시스템은 바람에 반응하여 진동하는 다리와 같이 주기적인 추진력이 없을 때 자연적으로 진동하는 공진 주파수를 가질 수 있습니다. 시스템의 다른 속성이 특정 값에 도달하면 이러한 두 개의 공진 주파수(고유 주파수라고 함)가 일치할 수 있습니다. 이러한 유착은 EP에서 발생하며 매우 비선형적인 동작을 유도할 수 있으므로 시스템은 작은 신호에 대해 뚜렷한 반응을 보일 수 있습니다.

최근 연구에서 Ho와 동료들은 입력 신호의 진폭이 일부 임계값을 초과할 때 출력을 생성하는 공진 센서를 연구합니다. 그들은 이론적으로 입력의 노이즈가 임의의 순간에 EP를 유도할 수 있으며 그 결과 센서가 일시적으로 더 민감해집니다. 처음에는 입력 신호가 너무 약해서 출력 신호를 유도할 수 없게 되었습니다. 이러한 방식으로 잡음은 확률론적 공진을 통해 센서의 전체 성능을 향상시킵니다. 가장 큰 신호 대 잡음 비율은 잡음이 0이 아닌 특정 잡음 진폭에서 발생합니다.

이 아이디어를 실험적으로 테스트하기 위해 연구원들은 직물에 짜여진 은사로 된 두 쌍의 중첩된 타원형 패치로 구성된 동작 센서를 사용했습니다. 한 쌍은 피부에 착용하고 다른 한 쌍은 첫 번째 옷 위에 입는 의복에 착용합니다. 전기 전도성 패치는 LC 공진기로 알려진 전기 회로에서 충전된 커패시터 플레이트 역할을 할 수 있습니다. 착용자의 움직임(예: 호흡)으로 인해 두 공진기 사이의 거리가 변경되면 공진기 간의 결합도 변경됩니다. 이러한 변화는 의류 패치의 공진 주파수를 변경하며, 공진은 무선으로 모니터링되어 출력 신호로 사용됩니다. 이러한 장치는 호흡을 감지할 수 있습니다.

실험에서는 착용자의 움직임이 서기에서 걷기, 달리기로 활발해짐에 따라 입력의 소음이 증가하여 센서에 확률론적 EP가 유도되어 감도가 향상될 것으로 예상되었습니다. 센서의 신호 대 잡음 비율은 잡음 수준이 증가함에 따라 처음에는 증가하다가 최대값에 도달했다가 잡음이 신호를 압도하면서 다시 감소했습니다. 이는 확률론적 공명의 특징적인 특징입니다. 결과적으로, 센서는 걷는 동안 호흡률을 모니터링하는 데 계속해서 잘 작동했지만, 확률론적 공명으로 인한 부스트가 없으면 피험자가 가만히 서 있을 때만 호흡률을 명확하게 감지할 수 있었습니다.