Por que o ruído pode aumentar a sensibilidade a sinais fracos?
Uma equipe de pesquisadores japoneses descobriu um novo mecanismo para explicar a ressonância estocástica, na qual a sensibilidade a sinais fracos é aumentada pelo ruído. Espera-se que a descoberta ajude os dispositivos eletrônicos a se tornarem menores e mais eficientes em termos energéticos.
O ruído é geralmente um incômodo que abafa pequenos sinais. Por exemplo, pode impedir que você perceba o que seu parceiro está dizendo durante uma conversa. No entanto, sabe-se que os organismos vivos acham mais fácil detectar predadores em ambientes ruidosos, uma vez que o ruído aumenta a sensibilidade dos órgãos sensoriais. Esse fenômeno, chamado de ressonância estocástica, é considerado de grande utilidade para dispositivos de engenharia e para resolver problemas de ruído em vários outros campos. No entanto, não houve explicações convincentes sobre o motivo pelo qual o ruído aumenta a sensibilidade a sinais fracos desde o relatório inicial do fenômeno em 1981.
Um obstáculo que impede os pesquisadores de compreenderem o fenômeno é a complexidade das teorias não-lineares envolvendo fricção e flutuação, ambas consideradas essenciais para o fenômeno.
Para resolver este problema, a equipe, compreendendo o Professor Seiya Kasai da Universidade de Hokkaido, Akihisa Ichiki da Universidade de Nagoya, e o Pesquisador Sênior Yukihiro Tadokoro da Toyota Central R & D Labs., Inc., estabeleceram um modelo simples que excluía a força de atrito, um parâmetro que eles consideram desprezível em sistemas de escala nano e molecular.
Os pesquisadores descobriram correlações entre sensibilidade e ruído em um sistema bi-estável, um sistema não-linear que possui dois estados estáveis e permite a transição entre eles dependendo dos valores de entrada, como uma gangorra. Eles também descobriram o papel do ruído gaussiano branco, o ruído mais comumente encontrado no mundo natural.
Quando ocorre uma transição sem atrito, a sensibilidade do sistema biestável a um sinal fraco imposto pelo ruído gaussiano torna-se significativamente alta. Além disso, os pesquisadores descobriram que a diferença relativa – que determina a sensibilidade – da função de distribuição gaussiana diverge em sua extremidade traseira. Isto significa que a sensibilidade torna-se anormalmente alta, aumentando o limiar do sistema biestável. Esta teoria foi experimentalmente verificada por um dispositivo eletrônico de dois estados chamado gatilho de Schmitt.
Espera-se que a descoberta pavimente o caminho para usar o ruído em vez de eliminá-lo, o que contribuirá para o estabelecimento de novas tecnologias. Isso poderia ajudar os dispositivos eletrônicos a se tornarem menores e mais eficientes em termos de energia. “Como o ruído gaussiano é comumente encontrado, nosso estudo deve nos ajudar a entender melhor vários fenômenos não-lineares e flutuantes no mundo natural e na sociedade.” diz Kasai.
