การตระหนักถึงศักยภาพของรถยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยตนเองนั้นขึ้นอยู่กับ เทคโนโลยี ที่สามารถรับรู้และตอบสนองต่อสิ่งกีดขวางและยานพาหนะอื่น ๆ ได้อย่างรวดเร็วแบบเรียลไทม์ วิศวกรจากมหาวิทยาลัยเท็กซัสที่ออสตินและมหาวิทยาลัยเวอร์จิเนียได้สร้างอุปกรณ์ตรวจจับแสงชนิดใหม่ตัวแรกที่สามารถขยายสัญญาณอ่อนที่สะท้อนจากวัตถุที่อยู่ห่างไกลได้อย่างแม่นยำมากขึ้นมากกว่าที่เทคโนโลยีในปัจจุบันอนุญาต ทำให้ยานพาหนะอัตโนมัติมีภาพรวมที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้น เกิดอะไรขึ้นบนท้องถนน
อุปกรณ์ใหม่นี้มีความไวมากกว่าเครื่องตรวจจับแสงอื่น ๆ เนื่องจากยังช่วยขจัดความไม่สอดคล้องกันหรือเสียงรบกวนที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการตรวจจับ เสียงดังกล่าวอาจทำให้ระบบพลาดสัญญาณและทำให้ผู้โดยสารในยานพาหนะอัตโนมัติตกอยู่ในความเสี่ยง
“ ยานยนต์ขับเคลื่อนอัตโนมัติจะส่งสัญญาณเลเซอร์ที่กระเด้งออกจากวัตถุเพื่อบอกว่าคุณอยู่ไกลแค่ไหน แสงกลับมาไม่มากดังนั้นหากเครื่องตรวจจับของคุณส่งเสียงรบกวนมากกว่าสัญญาณที่เข้ามาคุณจะไม่ได้รับอะไรเลย
นักวิจัยทั่วโลกกำลังทำงานกับอุปกรณ์ที่เรียกว่าโฟโตไดโอดหิมะถล่มเพื่อตอบสนองความต้องการเหล่านี้ แต่สิ่งที่ทำให้อุปกรณ์ใหม่นี้โดดเด่นคือการจัดตำแหน่งเหมือนขั้นบันได มันรวมถึงขั้นตอนทางกายภาพในพลังงานที่อิเล็กตรอนกลิ้งลงมาคูณไปตามทางและสร้างกระแสไฟฟ้าที่แรงขึ้นสำหรับการตรวจจับแสงในขณะที่พวกมันไป
“ อิเล็กตรอนเปรียบเสมือนหินอ่อนที่กลิ้งไปตามบันได” Seth Bank ศาสตราจารย์ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ของ Cockrell School ซึ่งเป็นผู้นำการวิจัยร่วมกับ Campbell อดีตศาสตราจารย์ใน Cockrell School ตั้งแต่ปี 1989 ถึง 2006 และ UT ศิษย์เก่าออสติน (BS, Physics, 1969) “ ทุกครั้งที่หินอ่อนหลุดออกจากขั้นตอนมันจะหล่นและพังลงในก้อนถัดไป ในกรณีของเราอิเล็กตรอนทำสิ่งเดียวกัน แต่การชนแต่ละครั้งจะปล่อยพลังงานมากพอที่จะปลดปล่อยอิเล็กตรอนอีกตัวได้จริง เราอาจเริ่มต้นด้วยอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว แต่การหลุดออกจากแต่ละขั้นตอนจะทำให้จำนวนอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า: 1, 2, 4, 8 และอื่น ๆ ”
อุปกรณ์ขนาดพิกเซลใหม่นี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับตัวรับสัญญาณ Light Detection และ Ranging (lidar) ซึ่งต้องใช้เซ็นเซอร์ความละเอียดสูงที่ตรวจจับสัญญาณออปติคอลที่สะท้อนจากวัตถุที่อยู่ไกลออกไป Lidar เป็นส่วนสำคัญของเทคโนโลยีรถยนต์ขับเคลื่อนด้วยตนเองและยังมีการประยุกต์ใช้ในหุ่นยนต์การเฝ้าระวังและการทำแผนที่ภูมิประเทศ
การเพิ่มขั้นตอนจะเพิ่มความไวและความสม่ำเสมอของอุปกรณ์ และการคูณอิเล็กตรอนที่สม่ำเสมอในแต่ละขั้นตอนทำให้สัญญาณไฟฟ้าจากเครื่องตรวจจับเชื่อถือได้มากขึ้นแม้ในสภาพแสงน้อย
“ ยิ่งการคูณสุ่มน้อยเท่าไหร่สัญญาณที่คุณสามารถเลือกได้จากพื้นหลังก็จะยิ่งอ่อนแอลงเท่านั้น” Bank กล่าว “ ตัวอย่างเช่นนั่นอาจช่วยให้คุณมองออกไปในระยะทางที่ไกลขึ้นด้วยระบบเรดาร์เลเซอร์สำหรับยานพาหนะที่ขับเคลื่อนด้วยตนเอง”
ความสามารถในการตรวจจับประเภทนี้มีมานานหลายทศวรรษแล้ว แต่อุปสรรคทางเทคโนโลยีก็ฉุดรั้งความก้าวหน้าไว้ หลอดโฟโตมัลติเพลเยอร์เป็นตัวแทนของ "จอกศักดิ์สิทธิ์" ของการตรวจจับรูปแบบนี้มานานแล้ว แต่เทคโนโลยีดังกล่าวมีมานานกว่า 50 ปีแล้วและใช้ส่วนประกอบแสงสว่างและหลอดสุญญากาศที่ล้าสมัย ในช่วงทศวรรษที่ 1980 นักประดิษฐ์ Federico Capasso ได้คิดค้นเทคโนโลยีโฟโตไดโอดถล่มที่นักวิจัยกำลังศึกษาอยู่เป็นครั้งแรก แต่เครื่องมือและเทคนิคที่จะทำให้มันเป็นจริงนั้นยังไม่ไกลพอ
วิทยาศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังความก้าวหน้านี้มาในรูปแบบใหม่ในการปลูกวัสดุธนาคารกล่าว แทนที่จะปลูกวัสดุด้วยอะตอมที่กระจายแบบสุ่มพวกเขาสร้างโลหะผสมหลายชั้นซึ่งประกอบด้วยสารประกอบไบนารีซึ่งประกอบด้วยสององค์ประกอบซ้อนกันอยู่ด้านบนของกันและกัน
“ สิ่งนี้ช่วยให้สามารถเปลี่ยนภูมิทัศน์พลังงานของอิเล็กตรอนด้วยวิธีง่ายๆในการสร้างโครงสร้างที่ Capasso จินตนาการไว้ในช่วงต้นทศวรรษที่ 80 แต่น่าเสียดายที่ไม่มีความสามารถในการสังเคราะห์ผลึกที่มีคุณสมบัติที่จำเป็นทั้งหมด” Bank กล่าว .
ชิ้นส่วนที่สำคัญอีกอย่างของอุปกรณ์นี้คือสามารถทำงานที่อุณหภูมิห้องได้ ปัจจุบันเครื่องตรวจจับแสงที่มีความไวแสงมากที่สุดจำเป็นต้องเก็บไว้ที่อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์หลายร้อยองศาทำให้มีราคาแพงเกินไปและไม่สามารถใช้งานได้จริงสำหรับการใช้งานเช่น lidar
งานวิจัยนี้ได้รับทุนจากสำนักงานวิจัยกองทัพสหรัฐ (ARO) และสำนักงานโครงการวิจัยขั้นสูงด้านการป้องกัน (DARPA) นักวิจัยได้รับเงินทุนผ่าน ARO และ DARPA เพื่อปรับปรุงกระบวนการของพวกเขาต่อไปเพื่อเพิ่มขั้นตอนให้กับอุปกรณ์มากยิ่งขึ้น และพวกเขากำลังทำงานร่วมกับ สารกึ่งตัวนำ บริษัท เพื่อทำการค้าเทคโนโลยี
วิศวกรยังวางแผนที่จะแต่งงานกับอุปกรณ์บันไดหลายขั้นตอนของพวกเขาด้วยโฟโตไดโอดหิมะถล่มที่พวกเขาสร้างขึ้นเมื่อปีที่แล้วซึ่งมีความไวต่อแสงอินฟราเรดใกล้ซึ่งจะเปิดแอปพลิเคชั่นใหม่ ๆ เช่นไฟเบอร์ออปติก คมนาคม และการถ่ายภาพความร้อน
“ สิ่งนี้น่าจะทำให้เราได้สิ่งที่ดีที่สุดจากทั้งสองโลกนั่นคือการตอบสนองต่อช่วงสีที่กว้างขึ้นและความไวต่อสัญญาณที่อ่อนแอมากขึ้นเนื่องจากการขยายสัญญาณรบกวนที่ต่ำลงซึ่งมาจากสถาปัตยกรรมขั้นบันไดโดยธรรมชาติ” Bank กล่าว