Bistability

동적 시스템에서 bistability는 시스템이 두 개의 안정된 평형 상태를 가지고 있다는 것을 의미한다.^[1] 두 개의 주 중 어느 한 곳에서든 참을 수 있는 무언가가 있을 수 있다. 비스트할 수 있는 기계 장치의 예로는 조명 스위치가 있다. 스위치 레버는 "ON" 또는 "OFF" 위치에 있도록 설계되어 있지만 둘 사이에 있지 않다. 바이스트 가능한 동작은 기계적 링크, 전자 회로, 비선형 광학 시스템, 화학 반응 및 생리적 생물학적 시스템에서 발생할 수 있다.

보수적인 힘 분야에서, 이istability는 잠재 에너지가 안정된 평형점인 두 개의 국부적 미니마를 가지고 있다는 사실에서 비롯된다.^[2] 이러한 나머지 주들은 동일한 잠재적 에너지를 가질 필요가 없다. 수학적인 논거에 의해, 국소 최대치, 불안정한 평형점은 두 미니마 사이에 있어야 한다. 정지 상태에서 입자는 최저 에너지 상태에 해당하기 때문에 최소 평형 위치 중 하나에 있을 것이다. 최대치는 그들 사이의 장벽으로 시각화할 수 있다.

장벽을 관통할 수 있는 충분한 활성화 에너지(화학 케이스에 대한 비교 활성화 에너지와 아르헤니우스 방정식)가 주어진다면 시스템은 최소 에너지의 한 상태에서 다른 에너지로 전환될 수 있다. 장벽에 도달한 후, 시스템은 이완 시간이라고 불리는 시간에 다른 최소 상태로 이완될 것이다.

Bistability는 2진수 데이터를 저장하는 디지털 전자장치에서 널리 사용된다. 그것은 컴퓨터와 반도체 메모리의 기본적인 구성 요소인 회로인 플립플롭의 필수적인 특징이다. 바이스트 가능 장치는 하나의 상태가 "0"을 나타내고 다른 상태는 "1"을 나타내는 1비트의 이진 데이터를 저장할 수 있다. 이완 발진기, 멀티비브레이터, 슈미트 트리거에도 사용된다. 광학 bistability는 입력에 따라 두 개의 공명 전송 상태가 가능하고 안정적인 특정 광학 소자의 속성이다. 생체 공학 시스템에서도 바이스트성이 발생할 수 있으며, 여기서 구성 화학 농도와 활동으로부터 디지털 전환과 같은 출력을 생성할 수 있다. 그것은 종종 그러한 시스템에서 이력서와 관련이 있다.

수학적 모델링

동적 시스템 분석의 수학적 언어에서 가장 간단한 바이스트 가능 시스템 중 하나는

${\displaystyle {\frac {dy}{dt}=y(1-y^{2}).}$

이 시스템은 y ${\displaystyle \frac{{4\mathrm{}}^{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}^{}}{\mathrm{}}}$- ${\displaystyle \frac{{y\mathrm{}}^{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}^{}}{\mathrm{}}}$ 2$${\$displaystyle${\$frac{4}{4}-{4$}-{\$frac{y^{2}}}{2$의 곡선 주로 구르는 공을 설명하고 $있으며{\displaystyle }$, y${\displaystyle }$= ${\displaystyle 1}$ ${\displaysty$ $y$$=1$ $y{\displaystyle }$${\displaystyle }$= ${\displaystyle 0}$${\displaystyle ,}$ y${\displaystyle }$= - ${\displaystyle 1}$ ${\displaysty y=-1$의 세 평형점을 가지고 있다. 중간점 $y{\displaystyle }$= ${\displaystyle 0}$ ${\displaystyle y=0}$은(는) 불안정한 반면$$ 나머지 두 점은 안정적이다. 만약 초기 조건(y(0)를 긍정적이다. y(t){\displaystyle y(t)}의 시간에 따라 변화의 방향(0){\displaystyle y(0)}에스파냐의 초기 조건으로;0{\displaystyle y(0)>0}), 시간이 흐른 다음 해결책 y(t){\displaystyle y(t)}접근법 1. 그러나 이 경우 초기 조건nega에 달려 있다.tive ( ( )< 0 $[\displaystyle$ y $(0)<0}$ ], 그 $다음{\displaystyle }$ y${\displaystyle }$( ${\displaystyle t}$) ${\displaystyle$ y$(t)}$이(가) 시간에 따라 -1에 접근한다$$. 그러므로 역학관계는 "bistable"이다. 시스템의 최종 상태는 $초기{\displaystyle }$ 조건에 따라 ${\displaystyle \mathrm{y}}$= 1 ${\displaystyle y=1$} 또는$$ $y{\displaystyle }$=${\displaystyle }$- ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle$ y$=-1}$일 수 있다$.$^[3]

바이스트 가능 영역의 모양은 분리기 매개변수 ${\dt$${\displaystyle \frac{}{}}$과${\displaystyle (}$$와$)의 초임계 피치포크 분리를 겪는$$ 모델 시스템 d ${\displaystyle \frac{y}{}}$ ${\displaystyle \frac{}{}}$ t = y ( r ${\displaystyle -}$ y 2${\displaystyle {}^{}}$) ${\displaystyle {dy}{dt}}=y(r-y^{2})$에 대해 이해할 수 있다$.$

생물학적 및 화학적 시스템

Bistability는 세포 주기 진행, 세포 분화,^[5] 세포 사멸과 같은 세포 기능의 기본적인 현상을 이해하는 데 핵심이다. 또한 암 발생 초기 발생 및 프리온 질환뿐만 아니라 신종의 기원(사양)과 관련된 세포 전위증 소실에도 관여한다.^[6]

bistability는 극도로 민감한 규제 단계를 가진 긍정적인 피드백 루프에 의해 생성될 수 있다. 단순 X와 같은 양의 피드백 루프는 Y를 활성화하고 Y는 X 모티브를 활성화하며, 기본적으로 출력 신호를 입력 신호에 연결하며, 양의 피드백 루프는 전체 또는 무(無)의 결정으로 스위치를 만들 수 있기 때문에 셀룰러 신호 전달에서 중요한 규제 모티브로 지적되어 왔다.^[7] 연구에 따르면 제노푸스 난모세포 성숙,^[8] 포유류 칼슘 신호 전달, 싹트기 효모에서의 극성 등 수많은 생물학적 시스템이 시간적(느리고 빠른) 양 피드백 루프 또는 서로 다른 시간에 발생하는 둘 이상의 피드백 루프를 통합한다.^[7] 두 개의 서로 다른 시간 양성 피드백 루프 또는 "이중 시간 스위치"를 보유하면 (a) 조절이 증가할 수 있다. 독립적으로 변경할 수 있는 활성화 및 비활성화 시간이 있는 스위치 두 개와 (b) 여러 시간 계산에 연결된 피드백 루프는 소음을 필터링할 수 있다.^[7]

또한 생물학적 시스템에서는 매개변수가 피드백의 강도로 해석될 수 있는 매개변수 값의 특정 범위에 대해서만 비스트성이 발생할 수 있다. 몇 가지 일반적인 예에서, 시스템은 매개변수의 낮은 값에 안정된 고정점을 하나만 가진다. 안장-노드 분리는 매개변수의 임계치에서 안정적이고 불안정한 새로운 고정점 쌍을 발생시킨다. 그러면 불안정한 용액은 매개변수의 높은 값으로 초기 안정적 용액과 또 다른 안장-노드 분리를 형성할 수 있고, 더 높은 고정 용액만 남는다. 따라서 두 임계치 사이의 매개변수 값에서 시스템에는 두 가지 안정적인 솔루션이 있다. 유사한 특징을 보여주는 동적 시스템의 예는 다음과 같다.

${\displaystyle {\frac {d}x}{\mathrm {d} t}=r+{\x^{5}{1+x^{5}}-x}$

$여기$서 $x{\displaystyle }$ ${\displaystyle x}$은(는$$) 출력이고$$r {\$displaystyle r}$은(는) 입력 역할을 하는 매개 변수다.^[9]

Bistability는 "스위치 유사" 특성을 유지하면서 반응제 농도의 상당한 변화를 허용하고 보다 견고하게 수정될 수 있다. 시스템의 활성제와 억제제 모두에 대한 피드백은 시스템이 광범위한 농도를 견딜 수 있게 한다. 세포 생물학에서 이것의 한 예는 활성 CDK1(Cyclin Dependent Kinase 1)이 활성제 Cdc25를 활성화하는 동시에 비활성제 Wee1을 비활성화하여 세포가 유사체로 진행되도록 하는 것이다. 이 이중 피드백이 없다면, 이 시스템은 여전히 견딜 수 있을 것이지만, 이렇게 광범위한 농도를 견딜 수는 없을 것이다.^[10]

비스트성은 드로소필라 멜라노가스터(과일파리)의 배아 발달에도 설명되어 있다. 앞쪽-뒤쪽-뒤쪽-도르소-발판축^[11][12][13] 형성과 눈발달을 예로 들 수 있다.^[14]

생물학적 시스템에서 바이스트성을 보여주는 대표적인 예가 분비 신호 분자인 소닉 고슴도치(Shh)의 것으로 개발에 중요한 역할을 한다. 쉿은 팔다리 봉오리 조직 분화를 포함한 다양한 개발 과정에서 기능한다. 쉬 신호 네트워크는 바이스트 가능 스위치로 동작하여 셀이 정밀한 쉬 농도로 갑자기 상태를 전환할 수 있게 한다. gli1과 gli2 전사는 쉿에 의해 활성화되며, 그들의 유전자 생산물은 그들 자신의 표현과 쉿 신호의 하류 표적에 대한 전사 활성제 역할을 한다.^[15] 동시에, SH 신호 네트워크는 Gli 전사 요소에서 억제기(Ptc)의 강화된 전사를 활성화하는 음성 피드백 루프에 의해 제어된다. 이 신호 네트워크는 정교한 감도가 바이스트 가능한 스위치를 만드는 데 도움이 되는 동시에 긍정적인 피드백과 부정적인 피드백 루프를 보여준다.

생물학적, 화학적 시스템에서는 긍정적인 피드백, 작은 자극을 걸러내는 메커니즘, 구속 없이 증가하는 것을 방지하는 메커니즘의 세 가지 조건이 충족되어야만 바이스트성이 발생할 수 있다.^[6]

바이스트 가능한 화학 시스템은 기후 변화뿐만 아니라 이완 운동학, 비균형 열역학, 확률 공진 및 기후 변화를 분석하기 위해 광범위하게 연구되어 왔다.^[6] 공간적으로 확장 가능한 시스템에서 국소 상관관계의 시작과 이동파의 전파는 분석되었다.^[16][17]

내성성은 종종 이력증을 동반한다. 모집단 수준에서 바이스트 가능 시스템의 많은 실현(예: 많은 바이스트 가능 셀(규격))^[18]을 고려할 경우, 일반적으로 2중 분포를 관찰한다. 모집단에 걸친 앙상블 평균에서, 결과는 단순히 매끄러운 전환처럼 보일 수 있으며, 따라서 단세포 분해능의 가치를 보여준다.

특정한 유형의 불안정성을 모드호핑이라고 하는데, 이것은 주파수 공간에서 이중안정성이다. 여기서 궤도는 두 개의 안정적인 한계 주기 사이에서 촬영할 수 있으며, 따라서 푸앵카레 구간 내에서 측정했을 때 정상의 이중성과 유사한 특성을 보인다.

기계 시스템 내

기계적 시스템 설계에 적용되는 비스트빌리티는 일반적으로 "over centre"라고 더 많이 알려져 있다. 즉, 이 때 메커니즘이 2차 안정 위치로 "over centre" 이동하기 위해 시스템에서 수행되는 작업이다. 그 결과는 시스템에 적용되는 토글형 동작-작업으로 '중심으로' 보내기에 충분한 임계치 이하를 적용하면 메커니즘 상태가 변경되지 않는다.

스프링은 "과잉 센터" 작용을 달성하는 일반적인 방법이다. 단순 2위치 래칫형 메커니즘에 부착된 스프링은 두 기계적 상태 사이에서 클릭되거나 토글되는 버튼이나 플런저를 만들 수 있다. 많은 볼펜과 롤러볼 접이식 펜은 이런 종류의 비스트 가능한 메커니즘을 사용한다.

훨씬 더 일반적인 중앙집중식 장치의 예는 일반적인 전기 벽 스위치다. 이러한 스위치는 토글 핸들이 중앙점을 지나 일정 거리를 이동한 후 "ON" 또는 "OFF" 위치에 단단히 고정되도록 설계되는 경우가 많다.

래칫 앤 폴은 정교한 것으로, 되돌릴 수 없는 움직임을 만들기 위해 사용되는 다단계 "오버 센터" 시스템이다. 폴은 앞쪽으로 돌면서 중심을 넘어간다. 이 경우 "오버 센터"는 래칫이 안정되고 다시 앞으로 클릭할 때까지 주어진 위치에서 "잠금"되는 것을 말하며, 래칫이 역방향으로 회전하지 못하는 것과 무관하다.

참고 항목

• 심리학에서는
• 강전, 강자성, 이력, 바이스트 인식
• 예측 가능한 멀티비브레이터, 단조로운 멀티비브레이터.
• 슈미트 트리거
• 강한 알레 효과
• 다단계 인식은 동일한 신체적 자극에 직면하여 서로 다른 지각의 자발적 또는 외생적 교체를 설명한다.
• 퀄컴이 미라솔 디스플레이에서 발견한 비스트레이블 반사 디스플레이 기술인 인터페로미터 모듈레이터 디스플레이

참조

외부 링크

• http://www.answers.com/topic/optical-bistability
• 바이스테블 리드 센서