إن تحقيق إمكانات السيارات ذاتية القيادة يتوقف على ذلك التكنلوجيا يمكنها استشعار العوائق والمركبات الأخرى والتفاعل معها بسرعة في الوقت الفعلي. ابتكر مهندسون من جامعة تكساس في أوستن وجامعة فيرجينيا جهازًا جديدًا هو الأول من نوعه للكشف عن الضوء يمكنه تضخيم الإشارات الضعيفة المرتدة من الأجسام البعيدة بشكل أكثر دقة مما تسمح به التكنولوجيا الحالية، مما يمنح المركبات ذاتية القيادة صورة أكمل للأشياء البعيدة. ما يحدث على الطريق.
يعد الجهاز الجديد أكثر حساسية من أجهزة الكشف عن الضوء الأخرى من حيث أنه يزيل أيضًا التضارب أو الضوضاء المرتبطة بعملية الكشف. يمكن أن تتسبب هذه الضوضاء في تفويت الأنظمة للإشارات وتعريض ركاب السيارة المستقلة للخطر.
ترسل المركبات ذاتية القيادة إشارات ليزر ترتد عن الأجسام لتخبرك بمدى بُعدك. لا يعود الكثير من الضوء ، لذلك إذا كان كاشفك يصدر ضوضاء أكثر من الإشارة الواردة ، فلن تحصل على شيء.
يعمل الباحثون في جميع أنحاء العالم على أجهزة ، تُعرف باسم الثنائيات الضوئية الجليدية ، لتلبية هذه الاحتياجات. ولكن ما يميز هذا الجهاز الجديد هو محاذاته الشبيهة بالدرج. يتضمن خطوات فيزيائية في الطاقة تتدحرج فيها الإلكترونات ، وتتكاثر على طول الطريق وتنتج تيارًا كهربائيًا أقوى لاكتشاف الضوء أثناء تقدمه.
قال سيث بانك ، الأستاذ في قسم الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات في مدرسة كوكريل ، الذي قاد البحث مع كامبل ، الأستاذ السابق في مدرسة كوكريل من 1989 إلى 2006 وجامعة تكساس: "إن الإلكترون يشبه الرخام الذي يتدحرج على السلم". خريج أوستن (بكالوريوس ، فيزياء ، 1969). "في كل مرة تتدحرج فيها قطعة الرخام ، تسقط وتتحطم في الخطوة التالية. في حالتنا ، يقوم الإلكترون بنفس الشيء ، لكن كل تصادم يطلق طاقة كافية لتحرير إلكترون آخر. قد نبدأ بإلكترون واحد ، لكن السقوط في كل خطوة يضاعف عدد الإلكترونات: 1 ، 2 ، 4 ، 8 ، وهكذا. "
يعد الجهاز الجديد بحجم البكسل مثاليًا لأجهزة الاستقبال الخاصة باكتشاف الضوء والمدى (lidar) ، والتي تتطلب مستشعرات عالية الدقة تكتشف الإشارات الضوئية المنعكسة من الأجسام البعيدة. يعد Lidar جزءًا مهمًا من تقنية السيارات ذاتية القيادة ، وله أيضًا تطبيقات في الروبوتات والمراقبة ورسم خرائط التضاريس.
تؤدي إضافة الخطوات إلى زيادة حساسية الجهاز وتناسقه. كما أن تكاثر الإلكترونات المتسق مع كل خطوة يجعل الإشارات الكهربائية الصادرة عن الكاشف أكثر موثوقية ، حتى في ظروف الإضاءة المنخفضة.
قال بانك: "كلما كانت عملية الضرب أقل عشوائية ، كلما كانت الإشارات التي يمكنك التقاطها من الخلفية أضعف". "على سبيل المثال ، قد يسمح لك ذلك بالبحث عن مسافات أكبر باستخدام نظام رادار ليزر للمركبات ذاتية القيادة."
هذا النوع من القدرة على الاستشعار موجود منذ عقود ، لكن الحواجز التكنولوجية أعاقت تقدمه. قال بانك إن الأنابيب المضاعفة الضوئية تمثل منذ فترة طويلة "الكأس المقدسة" لهذا النوع من الاستشعار ، لكن هذه التكنولوجيا موجودة منذ أكثر من 50 عامًا وتستخدم مكونات إضاءة قديمة وأنابيب مفرغة. في الثمانينيات من القرن الماضي ، ابتكر المخترع فيديريكو كاباسو لأول مرة تقنية الصمام الضوئي الانهيار الجليدي التي كان الباحثون يدرسونها. لكن الأدوات والتقنيات لجعلها حقيقة واقعة لم تكن كافية على المدى الطويل.
قال بانك إن العلم وراء هذا الاختراق يأتي بطريقة جديدة لزراعة المواد. فبدلاً من إنماء المواد ذات الذرات الموزعة عشوائيًا ، قاموا بإنشاء سبائك ذات طبقات مكونة من مركبات ثنائية - تتكون من عنصرين - مكدسة فوق بعضها البعض.
قال بانك: "ما يسمح به هذا هو تغيير مشهد طاقة الإلكترون بطريقة بسيطة جدًا لإنشاء الهيكل الذي تصوره كاباسو في أوائل الثمانينيات ، ولكن للأسف لم تكن هناك القدرة على تصنيع البلورات التي تحتوي على جميع الخصائص المطلوبة". .
قطعة أخرى مهمة في هذا الجهاز هي أنه يمكن أن يعمل في درجة حرارة الغرفة. اليوم ، تحتاج أجهزة الكشف عن الضوء الأكثر حساسية إلى أن تبقى في درجات حرارة مئات الدرجات تحت الصفر ، مما يجعلها باهظة الثمن وغير عملية لتطبيقات مثل الليدار.
تم تمويل البحث من قبل مكتب أبحاث الجيش الأمريكي (ARO) ووكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA). حصل الباحثون على تمويل من خلال ARO و DARPA لمواصلة تحسين عمليتهم لإضافة المزيد من الخطوات إلى الأجهزة. وهم يعملون مع أ أشباه الموصلات شركة لتسويق التكنولوجيا.
يخطط المهندسون أيضًا لمزج جهاز السلالم متعدد الخطوات مع الثنائي الضوئي الانهيار الجليدي الذي قاموا ببنائه العام الماضي وهو حساس لضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة ، مما يفتح تطبيقات جديدة مثل الألياف الضوئية. مجال الاتصالات والتصوير الحراري.
قال بانك: "يجب أن يمنحنا هذا أفضل ما في العالمين: الاستجابة لمجموعة واسعة من الألوان وحساسية أكبر للإشارات الضعيفة بسبب تضخيم الضوضاء المنخفض الذي يأتي بشكل طبيعي من هندسة الدرج".