Para hacer un mejor sensor, solo hay que añadir ruido

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Añadir ruido para mejorar una señal débil es un fenómeno de detección común en el mundo animal pero inusual en los sensores hechos por el hombre.

Ahora investigadores de la Universidad Penn State han añadido una pequeña cantidad de ruido de fondo para mejorar las señales muy débiles en una fuente de luz demasiado débil para ser detectada.

En contraste con la mayoría de los sensores, para los cuales el ruido es un problema que debe ser suprimido, encontraron que agregar la cantidad justa de ruido de fondo puede en realidad aumentar una señal demasiado débil para ser detectada por los sensores normales, alcanzando así un nivel que puede alcanzar la detectabilidad.

Aunque su sensor, basado en un material bidimensional llamado disulfuro de molibdeno, detecta la luz, el mismo principio puede utilizarse para detectar otras señales, y como requiere muy poca energía y espacio en comparación con los sensores convencionales, podría encontrar una amplia adaptación en la próxima Internet de las Cosas (IO).

La IO desplegará decenas de millones de sensores para vigilar las condiciones en el hogar y las fábricas, y los bajos requerimientos de energía serían una gran ventaja.

“Este fenómeno es algo que se ve con frecuencia en la naturaleza”, dice Saptarshi Das, un profesor asistente de ciencias de la ingeniería y mecánica.

“Por ejemplo, un pez espátula que vive en aguas fangosas no puede encontrar su alimento, que es un fitoplancton llamado Daphnia, a simple vista.

El pez espátula tiene electrorreceptores que pueden recoger una señal eléctrica muy débil de la Daphnia desde hasta 50 metros.

Si se añade un poco de ruido, puede encontrar la Dafnia a 75 metros o incluso a 100 metros.

Esta habilidad se suma al éxito evolutivo de este animal”.

Otro ejemplo interesante es el escarabajo bupréstido, que puede detectar un incendio forestal a 80 km de distancia.

El más avanzado detector infrarrojo solo puede detectarlo a 16 o 32 km.

Esto se debe a un fenómeno que estos animales utilizan llamado resonancia estocástica.

“La resonancia estocástica es un fenómeno en el que una señal débil que está por debajo del umbral de detección de un sensor puede ser detectada en presencia de una cantidad finita y apropiada de ruido“, según Akhil Dodda, un estudiante de postgrado en ciencias de la ingeniería y la mecánica y co-autor de un nuevo artículo que apareció en la revista Nature Communications.

En su trabajo, los investigadores demuestran el primer uso de esta técnica para detectar una señal fotónica subumbral.

Un posible uso que se está considerando sería para las tropas en combate.

El personal del ejército en el campo ya lleva un equipo muy voluminoso.

Sería inviable añadir el equipo pesado y hambriento de energía necesario para mejorar una señal de subumbral.

Su técnica también es aplicable en entornos con recursos limitados o bajo el océano donde la gente quiere monitorear señales muy débiles.

También podría utilizarse en lugares volcánicos o para vigilar los terremotos a tiempo para dar una alarma.

“¿Quién hubiera pensado que el ruido podría desempeñar un papel constructivo en la detección de señales?

Hemos desafiado la tradición para detectar señales que de otra manera serían indetectables con un consumo de energía minúsculo.

Esto puede abrir las puertas a un campo totalmente inexplorado e ignorado de detección de señales mejoradas por el ruido“, dijo Aaryan Oberoi, un estudiante graduado del Departamento de Ciencias de Ingeniería y Mecánica y co-autor del artículo.

Su próximo paso es demostrar esta técnica en un fotodiodo de silicio, lo que haría el dispositivo muy escalable.

Cualquier sensor de última generación puede ser mejorado mediante este concepto, dice Das.

Fuente: Noticias de la Ciencia