Descubrir el potencial de los vehículos autónomos depende de la tecnología que puede detectar y reaccionar rápidamente ante obstáculos y otros vehículos en tiempo real. Ingenieros de la Universidad de Texas en Austin y la Universidad de Virginia crearon un nuevo dispositivo de detección de luz, el primero de su tipo, que puede amplificar con mayor precisión las señales débiles que rebotan en objetos lejanos de lo que permite la tecnología actual, brindando a los vehículos autónomos una imagen más completa de lo que está pasando en el camino.
El nuevo dispositivo es más sensible que otros detectores de luz porque también elimina la inconsistencia o el ruido asociado con el proceso de detección. Dicho ruido puede hacer que los sistemas pierdan señales y poner en riesgo a los pasajeros de los vehículos autónomos.
“Los vehículos autónomos envían señales láser que rebotan en los objetos para indicarle a qué distancia se encuentra. No regresa mucha luz, por lo que si su detector emite más ruido que la señal que ingresa, no obtendrá nada.
Investigadores de todo el mundo están trabajando en dispositivos, conocidos como fotodiodos de avalancha, para satisfacer estas necesidades. Pero lo que hace que este nuevo dispositivo se destaque es su alineación en forma de escalera. Incluye pasos físicos en la energía que los electrones bajan, se multiplican a lo largo del camino y crean una corriente eléctrica más fuerte para la detección de luz a medida que avanzan.
"El electrón es como una canica rodando por un tramo de escaleras", dijo Seth Bank, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Escuela Cockrell que dirigió la investigación con Campbell, ex profesor de la Escuela Cockrell de 1989 a 2006 y UT Ex alumno de Austin (BS, Física, 1969). “Cada vez que la canica se cae de un escalón, cae y choca contra el siguiente. En nuestro caso, el electrón hace lo mismo, pero cada colisión libera suficiente energía para liberar otro electrón. Podemos comenzar con un electrón, pero caer en cada paso duplica el número de electrones: 1, 2, 4, 8, etc. "
El nuevo dispositivo del tamaño de un píxel es ideal para receptores de detección de luz y rango (lidar), que requieren sensores de alta resolución que detecten señales ópticas reflejadas desde objetos distantes. Lidar es una parte importante de la tecnología de los vehículos autónomos y también tiene aplicaciones en robótica, vigilancia y cartografía del terreno.
Agregar pasos aumenta la sensibilidad y la consistencia del dispositivo. Y la multiplicación constante de electrones con cada paso hace que las señales eléctricas del detector sean más confiables, incluso en condiciones de poca luz.
“Cuanto menos aleatoria sea la multiplicación, más débiles serán las señales que se pueden distinguir del fondo”, dijo Bank. "Por ejemplo, eso podría permitirle mirar a mayores distancias con un sistema de radar láser para vehículos autónomos".
Este tipo de capacidad de detección ha existido durante décadas, pero las barreras tecnológicas frenaron su avance. Los tubos fotomultiplicadores representaron durante mucho tiempo el "santo grial" de esta forma de detección, dijo Bank, pero esa tecnología ha existido durante más de 50 años y utiliza componentes de iluminación y tubos de vacío obsoletos. En la década de 1980, el inventor Federico Capasso concibió por primera vez la tecnología de fotodiodos de avalancha que los investigadores han estado estudiando. Pero las herramientas y técnicas para hacerlo realidad no estaban lo suficientemente avanzadas.
La ciencia detrás de este avance proviene de una nueva forma de cultivar materiales, dijo Bank. En lugar de cultivar materiales con átomos distribuidos aleatoriamente, crearon aleaciones en capas compuestas de compuestos binarios, los formados por dos elementos, apilados uno encima del otro.
"Lo que esto permite es cambiar el panorama energético del electrón de una manera muy simple para crear la estructura que Capasso imaginó a principios de los 80, pero desafortunadamente no existía la capacidad de sintetizar cristales que tuvieran todas las propiedades requeridas", dijo Bank. .
Otra pieza importante de este dispositivo es que puede funcionar a temperatura ambiente. Hoy en día, los detectores de luz más sensibles deben mantenerse a temperaturas de cientos de grados bajo cero, lo que los hace demasiado costosos y poco prácticos para aplicaciones como el lidar.
La investigación fue financiada por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. (ARO) y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA). Los investigadores cuentan con fondos a través de ARO y DARPA para continuar refinando su proceso y agregar aún más pasos a los dispositivos. Y están trabajando con un Semiconductores empresa para comercializar la tecnología.
Los ingenieros también planean casar su dispositivo de escalera de varios escalones con un fotodiodo de avalancha que construyeron el año pasado que es sensible a la luz del infrarrojo cercano, lo que abre nuevas aplicaciones como la fibra óptica. clase de comunicaciones e imágenes térmicas.
“Esto debería darnos lo mejor de ambos mundos: respuesta a una gama más amplia de colores y mayor sensibilidad a señales débiles debido a la menor amplificación de ruido que proviene naturalmente de la arquitectura de escalera”, dijo Bank.