Мозок сарани допоміг створити детектор перешкод

Американські інженери розробили детектор перешкод, що імітує роботу зорової системи сарани. Отриманий пристрій має розміри порядку одиниць мікрометрів і являє собою фотодетектор на основі дисульфіду молібдену, вбудований в структуру, схожу за архітектурою на енергонезалежну комірку пам'яті. Одним з основних переваг нового сенсора є низьке енергоспоживання в діапазоні від пікоджоулів до наноджоулів, йдеться в статті, опублікованій в журналі.

Здатність вчасно виявляти перешкоди і реагувати на потенційну загрозу зіткнення критично важлива для безпечного руху автономних роботів і транспортних засобів. Сьогодні це завдання вирішується, наприклад, з використанням систем зору, що складаються з лідарів і камер, дані з яких обробляються складними алгоритмами, що потребують значних обчислювальних ресурсів. Такі системи громіздки і споживають багато енергії.

Вирішенням проблеми міг би стати компактний вузькоспеціалізований сенсор, в якому обробка сигналів про зближення і можливе зіткнення відбувається на апаратному рівні, усуваючи етапи передачі та обробки великих масивів інформації. Це дозволило б знизити складність, громіздкість і енергоспоживання бортових систем дронів і автономних машин.

Американські інженери під керівництвом Саптарші Даса (Saptarshi Das) з Університету штату Пенсільванія звернули увагу на особливості нервової системи комах і створили детектор перешкод, що працює за принципами, схожим з роботою зорової системи сарани, яка при дуже обмежених ресурсах здатна за мілісекунди реагувати на загрозу зіткнення.

Під час міграції сарана утворює рої, що налічують сотні мільйонів особин, при цьому окремі комахи практично не стикаються один з одним у польоті. Ключову роль у цій здатності відіграє нейрон зорової системи сарани під назвою лобулярний гігантський детектор руху (lobcegiant movement detector). Цей нейрон отримує і обробляє два сигнали, що йдуть з фоторецепторів комахи. Один містить інформацію про кутові розміри об'єкта, що наближається, а другий - про його кутову швидкість. При цьому сигнал про кутову швидкість має збуджувальний характер, а сигнал про розміри об'єкта - гальмуючий. Після обробки суми цих сигналів нейрон генерує спайк, пік якого досягається до моменту зіткнення, залишаючи комаху час на реакцію ухилення. При цьому комаха здатна відфільтровувати сигнали, що не несуть загрози: фон і наближення об'єктів, які не знаходяться на шляху прямого зіткнення.

Для того щоб реалізувати описаний вище механізм, інженери побудували мікроскопічний (близько декількох мікрометрів) оптоелектронний пристрій, що складається з фотодетектора, поміщеного на вершину енергонезалежної метал-оксид-напівпровідникової комірки пам'яті з плаваючим затвором.

Як фотодетектор використовується монослой напівпровідника дисульфіду молібдену, вирощений методом осадження з газової фази. Шар фотодетектора з нанесеними на нього електродами, що грають роль стоку і витоку носіїв заряду, розташований на шарі діелектрика - оксиду алюмінію, який, у свою чергу, розташовується на структурі, що складається з платини і нітрида титану, що виконує функцію плаваючого затвора. Нижче розташований шар сильнолегованого напівпровідника кремнію, який служить керуючим затвором.

Падає на фотодетектор світло призводить до зростання на виході пристрою струму, що служить сигналом про зближення з перешкодою і грає роль збуджувального сигналу. При цьому подача на керуючий затвор пристрою послідовностей імпульсів певної напруги призводить до зміни заряду на плаваючому затворі і до зменшення струму на виході пристрою. Цей ефект використовується як аналог сигналу гальмування в нейроні сарани. При збільшенні інтенсивності світла, що означає наближення об'єкта до сенсора, сума збуджуючого і гальмуючого сигналів буде мати немонотонний характер, що імітує спайк в нервовій системі сарани.

Розрахунки показали, що новий біоміметичний детектор перешкод споживає енергію в діапазоні від пікоджоулів до наноджоулів, що майже в тисячу разів менше, ніж аналогічні пристрої, що створювалися раніше з використанням інших технологій.

На даний момент розробники досліджували можливості детектора тільки в ситуаціях прямого зіткнення. Для цього достатньо одного детектора, однак при цьому не можна визначити напрямок, з якого наближається об'єкт. Для вирішення цієї проблеми інженери пропонують об'єднувати сенсори в плоску матрицю, поміщену у фокальну площину лінзи, яка фокусує світло на певних областях матриці залежно від напрямку променів падаючого світла.

Розробка ефективних алгоритмів не менш важлива при вирішенні завдання уникнення зіткнень. Наприклад, американські інженери використовували методи глибокого навчання для того, щоб навчити рій літаючих дронів рухатися, уникаючи зіткнень з перешкодами і один з одним і компенсувати, створювані сусідніми дронами аеродинамічні обурення.