Amerikanische Ingenieure haben einen Hindernisdetektor entwickelt, der die Funktionsweise des Sehsystems der Heuschrecke simuliert. Die resultierende Vorrichtung hat Abmessungen in der Größenordnung von einigen Mikrometern und ist ein Photodetektor auf Molybdändisulfid-Basis, der in eine Struktur eingebaut ist, die in der Architektur einer nichtflüchtigen Speicherzelle ähnlich ist. Einer der Hauptvorteile des neuen Sensors ist laut einem in der Zeitschrift Nature Electronics veröffentlichten Artikel der geringe Stromverbrauch im Bereich von Picojoule bis Nanojoule.
Die Fähigkeit, Hindernisse rechtzeitig zu erkennen und auf potenzielle Kollisionsgefahren zu reagieren, ist entscheidend für die sichere Bewegung autonomer Roboter und Fahrzeuge. Heute wird dieses Problem beispielsweise durch Vision-Systeme gelöst, die aus Lidars und Kameras bestehen, deren Daten von komplexen Algorithmen verarbeitet werden, die erhebliche Rechenressourcen erfordern. Solche Systeme sind sperrig und verbrauchen viel Energie.
Die Lösung des Problems könnte ein kompakter hochspezialisierter Sensor sein, bei dem die Verarbeitung von Signalen über Annäherung und mögliche Kollision auf Hardwareebene erfolgt, wodurch die Stufen der Übertragung und Verarbeitung großer Informationsmengen entfallen. Dies würde die Komplexität, Sperrigkeit und den Stromverbrauch von Bordsystemen für Drohnen und autonome Fahrzeuge reduzieren.
Amerikanische Ingenieure unter der Leitung von Saptarshi Das von der University of Pennsylvania machten auf die Besonderheiten des Nervensystems von Insekten aufmerksam und entwickelten einen Hindernisdetektor, der nach ähnlichen Prinzipien wie das Sehsystem der Heuschrecke funktioniert, das mit sehr begrenzten Ressourcen kann in Millisekunden auf eine Kollisionsgefahr reagieren.
Während der Wanderung bilden Heuschrecken Schwärme von Hunderten von Millionen von Individuen, während einzelne Insekten im Flug praktisch nicht miteinander kollidieren. Eine Schlüsselrolle bei dieser Fähigkeit spielt ein visuelles Neuron der Heuschrecke, das als Lobula-Riesen-Bewegungsdetektor bezeichnet wird. Dieses Neuron empfängt und verarbeitet zwei Signale, die von den Photorezeptoren des Insekts kommen. Einer enthält Informationen über die Winkelabmessungen des sich nähernden Objekts und der zweite - über seine Winkelgeschwindigkeit. In diesem Fall ist das Signal über die Winkelgeschwindigkeit anregend und das Signal über die Größe des Objekts verlangsamt. Nach der Verarbeitung der Summe dieser Signale erzeugt das Neuron einen Spike, dessen Spitze vor dem Moment der Kollision erreicht wird, und lässt dem Insekt Zeit für die Ausweichreaktion. Gleichzeitig ist das Insekt in der Lage, ungefährliche Signale herauszufiltern: den Hintergrund und sich nähernde Objekte, die einer direkten Kollision nicht im Weg sind.
(links) Diagramm des visuellen Heuschreckensystems, (unten rechts) biomimetisches Kollisionsdetektorgerät
(links) Betätigung des Melders bei Annäherung zweier Autos, Scheinwerfer wirken als Lichtquelle, (in der Mitte) hier wird der Melder durch reflektiertes Licht bei Annäherung an eine Wand ausgelöst, (rechts) optische Information auf dem Melder
Um den oben beschriebenen Mechanismus zu implementieren, bauten Ingenieure eine mikroskopische (in der Größenordnung von mehreren Mikrometern) optoelektronische Vorrichtung, die aus einem Fotodetektor besteht, der auf einer nichtflüchtigen Metalloxid-Halbleiter-Speicherzelle mit einem schwebenden Gate platziert ist.
Als Photodetektor wird eine Monoschicht aus Molybdändisulfid-Halbleiter verwendet, die durch Dampfabscheidung aufgewachsen ist. Die Fotodetektorschicht mit darauf abgeschiedenen Elektroden, die die Rolle eines Drains und einer Quelle von Ladungsträgern spielen, befindet sich auf einer dielektrischen Schicht - Aluminiumoxid, das sich wiederum auf einer Struktur aus Platin und Titannitrid befindet, die dient als Floating-Gate. Darunter befindet sich eine Schicht aus stark dotiertem Silizium-Halbleiter, die als Steuergate dient.
Das auf den Fotodetektor fallende Licht führt zu einer Stromerhöhung am Ausgang des Geräts, die als Signal für die Annäherung an ein Hindernis dient und die Rolle eines Anregungssignals spielt. In diesem Fall führt das Anlegen einer Impulsfolge einer bestimmten Spannung an das Steuergate des Bauelements zu einer Ladungsänderung am Floating-Gate und zu einer Abnahme des Stroms am Ausgang des Bauelements. Dieser Effekt wird als Analogon des Hemmsignals im Heuschreckenneuron verwendet. Bei einer Zunahme der Lichtintensität, das heißt, dass sich das Objekt dem Sensor nähert, wird die Summe der erregenden und hemmenden Signale einen nicht monotonen Charakter haben, der eine Spitze im Nervensystem der Heuschrecke imitiert.
Berechnungen haben ergeben, dass der neue biomimetische Hindernisdetektor Energie im Bereich von Pikojoule bis Nanojoule verbraucht, fast tausendmal weniger als vergleichbare Geräte, die zuvor mit anderen Technologien hergestellt wurden.
Schema eines Arrays von Kollisionsdetektoren, mit dem Sie die Richtung eines sich nähernden Objekts bestimmen können, ein zweidimensionales Array von Detektoren befindet sich in der Brennebene der Linse
Derzeit haben die Entwickler die Fähigkeiten des Detektors nur in direkten Kollisionssituationen untersucht. Dazu reicht ein Detektor, allerdings lässt sich nicht feststellen, aus welcher Richtung sich das Objekt nähert. Um dieses Problem zu lösen, schlagen Ingenieure vor, Sensoren zu einem flachen Array zu kombinieren, das in der Brennebene der Linse platziert ist und das Licht abhängig von der Richtung der einfallenden Lichtstrahlen auf bestimmte Bereiche der Matrix fokussiert.
Ebenso wichtig ist die Entwicklung effizienter Algorithmen bei der Lösung eines Kollisionsvermeidungsproblems. Amerikanische Ingenieure nutzten beispielsweise Deep-Learning-Techniken, um Schwärmen von fliegenden Drohnen beizubringen, sich zu bewegen, Hindernissen und einander auszuweichen und aerodynamische Störungen durch nahegelegene Drohnen zu kompensieren.
