Радиочип, подобный уху

Инженеры MIT (Массачусетского технологического института) создали быстрый сверхширокополосной радио-чип с низким энергопотреблением, смоделированный по принципу строения внутреннего уха человека, с помощью которого могли бы работать беспроводные устройства, способные принимать телефонные звонки, сигналы интернета, радио и телевидения.

Рауль Сарпешкар (Rahul Sarpeshkar), профессор по электротехнике при MIT, и его аспирант Соумайат Мандал (Soumyajit Mandal) разработали чип, который основан на принципе работы внутреннего уха или улитки человека. Чип быстрее любого другого созданного человеком анализатора радиоспектра, и при этом потребляет гораздо меньше энергии.

«Улитка (или внутреннее ухо) мгновенно получает полную картину того, что происходит в диапазоне звуковых частот, - говорит Сарпешкар. - Чем больше я изучал человеческое ухо, тем больше понимал, что оно подобно супер-радио, которое ловит 3 500 параллельных каналов».

Сарпешкар и его студент описывают свой новый чип, названный ими «радиочастотная улитка», в статье, которая будет опубликована в июньском номере журнала Journal of Solid-State Circuits, выпускаемого IEEE (Институт инженеров по электротехнике и электронике). Они так же подали заявку на патент, чтобы зарегистрировать улитку как универсальную или программируемую архитектуру радио, которая была разработана для эффективной передачи широкого спектра сигналов, включая мобильный телефон, беспроводной интернет, радио и другие.

Радиочастотная улитка повторяет строение и функции внутреннего уха человека, где присутствуют гидродинамические процессы, пьезоэлектрические эффекты, а сигналы нейронов непрерывно превращают звуковые волны в электрические сигналы, посылаемые мозгу.

Когда звуковые волны поступают в улитку, они создают механические колебания мембраны улитки и жидкости внутреннего уха, активизируя волосковые сенсорные клетки, которые создают электрические сигналы, посылаемые мозгу. Улитка человеческого уха может принимать частоты в ста диапазонах — от 100 до 10 000 Гц. Сарпешкар использовал тот же принцип, чтобы создать устройство, способное принимать сигналы миллионкратного диапазона, включая радиосигналы наиболее распространённых сетей беспроводной связи.

«Это устройство является примером того, что может произойти, если исследователи будут черпать вдохновение из других областей», - говорит Сарпешкар.

«Вряд ли тот, кто работают в сфере радиосвязи, и тот, кто занимается изучением слуховых процессов, задумается над этим, но при совмещении этих двух областей, каждая помогает лучше понять другую», - говорит он. К примеру, его труд полезен не только для радиоприложений, в нём он так же подробно рассматривает вопрос, почему спектральный анализ улитки быстрее любых известных алгоритмов спектрального анализа. Таким образом, оно проливает свет на механизм слухового восприятия в принципе.  

Радиочастотная улитка вставлена в силиконовый чип размером 1,5 мм на 3 мм и функционирует как аналоговый спектроанализатор, регистрирующий электромагнитные волны внутри своего диапазона. Электромагнитные волны проходят через индукторы и конденсаторы (аналоги биологической жидкости и мембраны). Транзисторы выполняют роль волосковых сенсорных клеток.

Чип радиочастотной улитки быстрее любого другого анализатора радиоспектра и потребляет в 100 раз меньше энергии, чем требовалось бы для прямой оцифровки всего диапазона, что делает её весьма востребованной в качестве компонента универсального или «когнитивного» радио, которое принимает широкий диапазон частот и выбирает, к какой подсоединиться.

Вдохновлённый природой

Сарпешкар не впервые черпает вдохновение для создания электронных устройств в природе. Квалифицированный инженер, а так же студент биологии, он обнаружил множество схожих схем в мире природы и в мире, созданном руками человека. Например, группа Сарпешкара в исследовательской лаборатории электронного оборудования MIT  разработала чип синтезатора речи и новую технику анализа через синтез, основанные на динамике работы речевого тракта. Способность чипа распознавать речь среди шумов и узнавать голос используются в некоторых переносных устройствах и средствах безопасности.

Исследователи сконструировали радиосхемы, анализирующие сердечные ритмы, которые используются для беспроводных наблюдений за частотой сердечных сокращений, а теперь работают над проектами, на которые их вдохновило изучение сигналов, протекающих в клетках. В прошлом, его группа работала над созданием аналого-цифрового процессора для обработки сигналов, основную идею которого он почерпнул из принципа работы нейронов головного мозга.

Сарпешкар говорит, что инженеры могут многому научиться, изучая биологические системы, которые развивались на протяжении сотен миллионов лет, и служат для эффективного выполнения сенсомоторных задач в шумной среде, затрачивая при этом минимум энергии.

«Человеку предстоит пройти долгий путь, пока его разработки смогут успешно конкурировать с природой. Особенно в тех областях, где главным является энергоэффективность устройства или сверхнизкая мощность операции», - говорит он.

Тем не менее, он считает: «Для того чтобы создавать устройства, полезные людям, мы можем черпать интеллектуальные ресурсы природы так же, как мы в прошлом черпали её естественные ресурсы».

Профессор Сарпешкар, слева, и Соумайат Мандал демонстрируют свою радиочастотную улитку, широкополосной радио-чип с низким энергопотреблением. Чип в руках Мандала подсоединён к антенне, которую держит Сарпешкар. Диаграмма на мониторе компьютера показывает монтажную схему чипа.

ScienceDaily
Перевод Наташи Собиной
Radioportal.ru