Collision Detector bootst sprinkhanenzwermen na

Sprinkhanenplagen, die miljoenen insecten bevatten, vliegen door de lucht om gewassen aan te vallen, maar de individuele insecten komen niet met elkaar in botsing binnen deze enorme zwermen. Een team van ingenieurs maakt een botsingsdetector met laag vermogen die de reactie van sprinkhanen nabootst om robots, drones en zelfs zelfrijdende auto's te helpen botsingen te voorkomen.

Sprinkhanen gebruiken een enkel, gespecialiseerd neuron genaamd de Lobula Giant Movement Detector (LGMD) om botsingen te voorkomen. Het neuron ontvangt twee verschillende signalen. De eerste is een afbeelding van een naderende sprinkhaan die op het oog van de vermijdende sprinkhaan valt. Hoe dichterbij de binnendringende sprinkhaan komt, hoe groter het beeld en hoe sterker dit excitatiesignaal wordt. De andere input is de verandering in hoeksnelheid van de binnenvallende sprinkhaan ten opzichte van de vermijdende sprinkhaan. Omdat het neuron twee takken heeft, berekent de sprinkhaan de veranderingen in deze twee inputs en realiseert zich dat er iets gaat botsen, zodat de vermijdende sprinkhaan van richting verandert.

De onderzoekers ontwikkelden een compacte botsingsdetector op nanoschaal met monolaag molybdeensulfide als fotodetector. Ze plaatsten de fotodetector bovenop een programmeerbare geheugenarchitectuur met zwevende poorten die de neuronreactie van de sprinkhaan kan nabootsen met slechts een kleine hoeveelheid energie.

Sprinkhanen bewegen met twee tot drie mijl per uur en maken richtingsveranderingen in honderden milliseconden. De beslissing om te verhuizen maakt gebruik van niet-lineaire wiskunde en een minuscuul energieverbruik. Deze snelle reactie en bescheiden energieverbruik is aantrekkelijk voor gemechaniseerde botsingsdetectoren. Huidige detectoren voor autonome auto's zijn erg groot en erg zwaar - de botsingsdetector van de onderzoekers reageert in twee seconden. Bovendien is de op molybdeensulfide gebaseerde sensor, in plaats van een alleskunnersdetector, taakspecifiek, maar omdat hij zo klein is en zo weinig energie verbruikt, is dat acceptabel.

De fotodetector veroorzaakt een toename van de apparaatstroom als reactie op een naderend object - het exciterende signaal - terwijl de onderliggende programmeerbare geheugenstapel altijd een afname van de stroom veroorzaakt - het remmende signaal. Wanneer een object nadert, wordt het exciterende signaal toegevoegd aan de remmende stimuli, waardoor een niet-monotone verandering in de stroom van het apparaat wordt veroorzaakt, wat de ontsnappingsreactie nabootst van het LGMD-neuron dat in sprinkhanen wordt aangetroffen. Het nieuwe apparaat kan mogelijke botsingen van verschillende objecten met verschillende snelheden detecteren.

De onderzoekers hebben het apparaat alleen getest met objecten op een direct botsingspad; ze moeten de reacties nog optimaliseren voor aanvullende situaties.