Perceber o potencial dos carros autônomos depende de tecnologia que pode detectar e reagir rapidamente a obstáculos e outros veículos em tempo real. Engenheiros da Universidade do Texas em Austin e da Universidade da Virgínia criaram um novo dispositivo de detecção de luz inédito que pode amplificar com mais precisão sinais fracos refletidos em objetos distantes do que a tecnologia atual permite, dando aos veículos autônomos uma imagem mais completa de o que está acontecendo na estrada.
O novo dispositivo é mais sensível do que outros detectores de luz, pois também elimina inconsistências ou ruídos associados ao processo de detecção. Esse ruído pode fazer com que os sistemas percam sinais e coloque em risco os passageiros de veículos autônomos.
“Veículos autônomos enviam sinais de laser que ricocheteiam em objetos para dizer a que distância você está. Não retorna muita luz, portanto, se o detector estiver emitindo mais ruído do que o sinal que entra, você não receberá nada.
Pesquisadores de todo o mundo estão trabalhando em dispositivos, conhecidos como fotodiodos de avalanche, para atender a essas necessidades. Mas o que faz esse novo dispositivo se destacar é seu alinhamento em forma de escada. Inclui etapas físicas na energia que os elétrons rolam, multiplicando-se ao longo do caminho e criando uma corrente elétrica mais forte para detecção de luz conforme eles avançam.
“O elétron é como uma bola de gude rolando por um lance de escada”, disse Seth Bank, professor do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Escola Cockrell que liderou a pesquisa com Campbell, um ex-professor da Escola Cockrell de 1989 a 2006 e UT Aluno de Austin (BS, Física, 1969). “Cada vez que a bola de gude rola de um degrau, ela cai e bate no próximo. Em nosso caso, o elétron faz a mesma coisa, mas cada colisão libera energia suficiente para realmente liberar outro elétron. Podemos começar com um elétron, mas cair em cada etapa dobra o número de elétrons: 1, 2, 4, 8 e assim por diante. ”
O novo dispositivo do tamanho de um pixel é ideal para receptores de detecção e alcance de luz (lidar), que requerem sensores de alta resolução que detectam sinais ópticos refletidos de objetos distantes. Lidar é uma parte importante da tecnologia de carros autônomos e também tem aplicações em robótica, vigilância e mapeamento de terreno.
Adicionar etapas aumenta a sensibilidade e consistência do dispositivo. E a multiplicação consistente de elétrons a cada etapa torna os sinais elétricos do detector mais confiáveis, mesmo em condições de pouca luz.
“Quanto menos aleatória for a multiplicação, mais fracos serão os sinais que você pode captar do fundo”, disse Bank. “Por exemplo, isso poderia permitir que você olhasse para distâncias maiores com um sistema de radar a laser para veículos autônomos.”
Esse tipo de capacidade de detecção existe há décadas, mas barreiras tecnológicas impediram seu avanço. Tubos fotomultiplicadores representam há muito tempo o “Santo Graal” dessa forma de detecção, disse Bank, mas essa tecnologia existe há mais de 50 anos e usa componentes de iluminação e tubos a vácuo desatualizados. Na década de 1980, o inventor Federico Capasso concebeu pela primeira vez a tecnologia de fotodiodo de avalanche que os pesquisadores vêm estudando. Mas as ferramentas e técnicas para torná-lo realidade não estavam suficientemente longe.
A ciência por trás dessa descoberta vem em uma nova maneira de cultivar materiais, disse Bank. Em vez de cultivar materiais com átomos distribuídos aleatoriamente, eles criaram ligas em camadas compostas de compostos binários - aqueles feitos de dois elementos - empilhados uns sobre os outros.
“O que isso permite é mudar o cenário de energia do elétron de uma forma muito simples para criar a estrutura que Capasso imaginou no início dos anos 80, mas infelizmente não havia a capacidade de sintetizar cristais que tivessem todas as propriedades necessárias”, disse Bank .
Outra peça importante desse dispositivo é que ele pode operar em temperatura ambiente. Hoje, os detectores de luz mais sensíveis precisam ser mantidos em temperaturas centenas de graus abaixo de zero, o que os torna muito caros e impraticáveis para aplicações como lidar.
A pesquisa foi financiada pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA (ARO) e pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA). Os pesquisadores têm financiamento através da ARO e DARPA para continuar refinando seu processo para adicionar ainda mais etapas aos dispositivos. E eles estão trabalhando com um Semicondutores empresa a comercializar a tecnologia.
Os engenheiros também planejam casar seu dispositivo de escada de vários degraus com um fotodiodo de avalanche que eles construíram no ano passado, que é sensível à luz infravermelha próxima, o que abre novas aplicações, como fibra óptica comunicações e imagens térmicas.
“Isso deve nos dar o melhor dos dois mundos: resposta a uma gama mais ampla de cores e maior sensibilidade a sinais fracos por causa da menor amplificação de ruído que vem naturalmente da arquitetura de escada”, disse Bank.