En un sistema dinámico , la biestabilidad significa que el sistema tiene dos estados de equilibrio estables . [1] Algo que es biestable puede estar descansando en cualquiera de dos estados. Un ejemplo de dispositivo mecánico biestable es un interruptor de luz . La palanca del interruptor está diseñada para descansar en la posición de "encendido" o "apagado", pero no entre los dos. El comportamiento biestable puede ocurrir en enlaces mecánicos, circuitos electrónicos, sistemas ópticos no lineales, reacciones químicas y sistemas fisiológicos y biológicos.
En un campo de fuerza conservador , la biestabilidad se deriva del hecho de que la energía potencial tiene dos mínimos locales , que son los puntos de equilibrio estable. [2] Estos estados de reposo no necesitan tener la misma energía potencial. Según los argumentos matemáticos, un máximo local , un punto de equilibrio inestable, debe estar entre los dos mínimos. En reposo, una partícula estará en una de las posiciones mínimas de equilibrio, porque corresponde al estado de menor energía. El máximo se puede visualizar como una barrera entre ellos.
Un sistema puede pasar de un estado de energía mínima al otro si se le da suficiente energía de activación para atravesar la barrera (compare la energía de activación y la ecuación de Arrhenius para el caso químico). Una vez que se ha alcanzado la barrera, el sistema se relajará al otro estado mínimo en un tiempo llamado tiempo de relajación .
La biestabilidad se usa ampliamente en dispositivos electrónicos digitales para almacenar datos binarios . Es la característica esencial del flip-flop , un circuito que es un componente fundamental de las computadoras y algunos tipos de memoria semiconductora . Un dispositivo biestable puede almacenar un bit de datos binarios, con un estado que representa un "0" y el otro estado un "1". También se utiliza en osciladores de relajación , multivibradores y el disparador Schmitt . La biestabilidad óptica es un atributo de ciertos dispositivos ópticos donde dos estados de transmisión resonantes son posibles y estables, dependiendo de la entrada. La biestabilidad también puede surgir en sistemas bioquímicos, donde crea salidas digitales similares a interruptores a partir de las concentraciones y actividades químicas constituyentes. A menudo se asocia con histéresis en tales sistemas.
Modelo matematico
En el lenguaje matemático del análisis de sistemas dinámicos , uno de los sistemas biestables más simples es
Este sistema describe una bola rodando por una curva con forma , y tiene tres puntos de equilibrio: , , y . El punto medioes inestable, mientras que los otros dos puntos son estables. La dirección del cambio de a lo largo del tiempo depende de la condición inicial . Si la condición inicial es positiva (), luego la solución se acerca a 1 con el tiempo, pero si la condición inicial es negativa (), luego se acerca a -1 con el tiempo. Por tanto, las dinámicas son "biestables". El estado final del sistema puede ser o , dependiendo de las condiciones iniciales. [3]
La aparición de una región biestable puede entenderse para el sistema modelo. que sufre una bifurcación de horquilla supercrítica con parámetro de bifurcación .
En sistemas biológicos y químicos
Biestabilidad es clave para la comprensión de los fenómenos básicos de funcionamiento celular, tales como los procesos de toma de decisiones en el ciclo celular progresión, la diferenciación celular , [5] y la apoptosis . También está involucrado en la pérdida de homeostasis celular asociada con eventos tempranos en la aparición del cáncer y en enfermedades priónicas , así como en el origen de nuevas especies ( especiación ). [6]
La biestabilidad se puede generar mediante un circuito de retroalimentación positiva con un paso regulador ultrasensible. Los bucles de retroalimentación positiva, como el simple X activa Y e Y activa el motivo X, esencialmente vinculan las señales de salida a sus señales de entrada y se ha observado que son un motivo regulador importante en la transducción de señales celulares porque los bucles de retroalimentación positiva pueden crear interruptores con un todo- decisión o nada. [7] Los estudios han demostrado que numerosos sistemas biológicos, tales como Xenopus la maduración de ovocitos, [8] de mamíferos transducción de la señal de calcio, y polaridad en la levadura en ciernes, incorporan temporal bucles de retroalimentación positivos (lentas y rápidas), o más de un circuito de retroalimentación que se produce En Diferentes Momentos. [7] Tener dos bucles de retroalimentación positiva temporal diferentes o "interruptores de tiempo dual" permite (a) una mayor regulación: dos interruptores que tienen tiempos de activación y desactivación cambiables independientes; y (b) los circuitos de retroalimentación enlazados en múltiples escalas de tiempo pueden filtrar el ruido. [7]
La biestabilidad también puede surgir en un sistema bioquímico solo para un rango particular de valores de parámetros, donde el parámetro a menudo puede interpretarse como la fuerza de la retroalimentación. En varios ejemplos típicos, el sistema tiene solo un punto fijo estable en valores bajos del parámetro. Una bifurcación del nodo silla de montar da lugar a un par de nuevos puntos fijos que emergen, uno estable y el otro inestable, en un valor crítico del parámetro. La solución inestable puede formar otra bifurcación de nodo silla de montar con la solución estable inicial a un valor más alto del parámetro, dejando solo la solución fija más alta. Por tanto, a valores del parámetro entre los dos valores críticos, el sistema tiene dos soluciones estables. Un ejemplo de un sistema dinámico que demuestra características similares es
dónde es la salida, y es el parámetro, que actúa como entrada. [9]
La biestabilidad se puede modificar para que sea más robusta y para tolerar cambios significativos en las concentraciones de reactivos, sin dejar de mantener su carácter de "interruptor". La retroalimentación tanto del activador como del inhibidor de un sistema hace que el sistema sea capaz de tolerar una amplia gama de concentraciones. Un ejemplo de esto en biología celular es que la CDK1 activada (quinasa dependiente de ciclina 1) activa su activador Cdc25 mientras que al mismo tiempo inactiva su inactivador, Wee1, permitiendo así la progresión de una célula hacia la mitosis. Sin esta doble retroalimentación, el sistema aún sería biestable, pero no podría tolerar un rango de concentraciones tan amplio. [10]
También se ha descrito la biestabilidad en el desarrollo embrionario de Drosophila melanogaster (la mosca de la fruta). Algunos ejemplos son la formación del eje anterior-posterior [11] y dorso-ventral [12] [13] y el desarrollo del ojo. [14]
Un excelente ejemplo de biestabilidad en sistemas biológicos es el de Sonic hedgehog (Shh), una molécula de señalización secretada, que desempeña un papel fundamental en el desarrollo. Shh funciona en diversos procesos de desarrollo, incluida la diferenciación del tejido de las yemas de las extremidades. La red de señalización Shh se comporta como un interruptor biestable, lo que permite que la célula cambie de estado abruptamente a concentraciones precisas de Shh. La transcripción de gli1 y gli2 es activada por Shh, y sus productos génicos actúan como activadores de la transcripción para su propia expresión y para los objetivos aguas abajo de la señalización de Shh. [15] Simultáneamente, la red de señalización Shh está controlada por un bucle de retroalimentación negativa en el que los factores de transcripción Gli activan la transcripción mejorada de un represor (Ptc). Esta red de señalización ilustra los bucles de retroalimentación positiva y negativa simultánea cuya exquisita sensibilidad ayuda a crear un interruptor biestable.
La biestabilidad solo puede surgir en sistemas biológicos y químicos si se cumplen tres condiciones necesarias: retroalimentación positiva , un mecanismo para filtrar pequeños estímulos y un mecanismo para evitar el aumento sin límite. [6]
Los sistemas químicos biestables se han estudiado ampliamente para analizar la cinética de relajación, la termodinámica del desequilibrio , la resonancia estocástica y el cambio climático . [6] En sistemas biestables espacialmente extendidos, se ha analizado el inicio de correlaciones locales y la propagación de ondas viajeras. [16] [17]
La biestabilidad suele ir acompañada de histéresis . A nivel de población, si se consideran muchas realizaciones de un sistema biestable (por ejemplo, muchas células biestables ( especiación ) [18] ), normalmente se observan distribuciones bimodales . En un promedio de conjunto sobre la población, el resultado puede parecer simplemente una transición suave, mostrando así el valor de la resolución de una sola celda.
Un tipo específico de inestabilidad se conoce como modehopping , que es biestabilidad en el espacio de frecuencias. Aquí, las trayectorias pueden dispararse entre dos ciclos límite estables y, por lo tanto, mostrar características similares a la biestabilidad normal cuando se miden dentro de una sección de Poincaré.
En sistemas mecánicos
La biestabilidad, tal como se aplica en el diseño de sistemas mecánicos, se dice más comúnmente que está "sobre el centro", es decir, se trabaja en el sistema para moverlo justo más allá del pico, momento en el que el mecanismo pasa "por encima del centro" a su punto secundario. posición estable. El resultado es una acción de tipo alternar: el trabajo aplicado al sistema por debajo de un umbral suficiente para enviarlo 'sobre el centro' no produce ningún cambio en el estado del mecanismo.
Los resortes son un método común para lograr una acción "sobre el centro". Un resorte unido a un mecanismo simple de dos posiciones tipo trinquete puede crear un botón o émbolo que se hace clic o se alterna entre dos estados mecánicos. Muchos bolígrafos retráctiles de bolígrafo y rollerball emplean este tipo de mecanismo biestable.
Un ejemplo aún más común de un dispositivo sobre el centro es un interruptor de pared eléctrico ordinario. Estos interruptores a menudo están diseñados para encajar firmemente en la posición de "encendido" o "apagado" una vez que la palanca de palanca se ha movido una cierta distancia más allá del punto central.
Un trinquete y un trinquete es una elaboración: un sistema multiestable "sobre el centro" que se utiliza para crear un movimiento irreversible. El trinquete pasa por encima del centro cuando se gira en la dirección de avance. En este caso, "sobre el centro" se refiere a que el trinquete está estable y "bloqueado" en una posición determinada hasta que se hace clic hacia adelante nuevamente; no tiene nada que ver con que el trinquete no pueda girar en la dirección inversa.
Ver también
- ferroeléctrico , ferromagnético , histéresis , percepción biestable
- multivibrador astable, multivibrador monoestable .
- Schmitt Trigger
- fuerte efecto Allee
- La percepción multiestable describe la alternancia espontánea o exógena de diferentes percepciones ante un mismo estímulo físico .
- Pantalla moduladora interferométrica , una tecnología de pantalla reflectante biestable que se encuentra en las pantallas mirasol de Qualcomm
Referencias
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enlaces externos
- http://www.answers.com/topic/optical-bistability
- Sensor de lengüeta BiStable