Sprinkhaan-geïnspireerde botsdetector verbetert robot- en voertuigveiligheid

Pesten van sprinkhanen, die miljoenen insecten bevatten, vliegen door de lucht om gewassen aan te vallen, maar de individuele insecten botsen niet met elkaar binnen deze massive zwermen. Een team ingenieurs creëert een laag-energie botsdetector die de sprinkhaan-ontwijkingsrespons namat om robots, drones, en zelfs zelfrijdende auto's te helpen botsingen te vermijden.

Sprinkhanen gebruiken een enkele, gespecialiseerde zenuw genaamd de Lobula Giant Movement Detector (LGMD) om botsingen te vermijden. De zenuw ontvangt twee verschillende signalen. De eerste is een beeld van een naderende sprinkhaan die valt op het oog van de ontwijkende sprinkhaan. Hoe dichter de indringende sprinkhaan komt, hoe groter het beeld en hoe sterker dit excitatie signaal wordt. De andere input is de verandering in hoeksnelheid van de indringende sprinkhaan ten opzichte van de ontwijkende sprinkhaan. Omdat de zenuw twee takken heeft, berekent de sprinkhaan de veranderingen in deze twee inputs en realiseert zich dat er iets gaat botsen, zodat de ontwijkende sprinkhaan de richting verandert.

De onderzoekers hebben een compacte, nanoschaal botsdetector ontwikkeld met monolag molybdeen sulfid als fotodetector. Ze plaatsten de fotodetector bovenop een programmeerbare drijvende gate geheugenarchitectuur die de zenuwrespons van de sprinkhaan kan namaken met slechts een minuscule hoeveelheid energie.

Sprinkhanen bewegen met twee tot drie mijl per uur en maken richtingsveranderingen in honderden milliseconden. De beslissing om te bewegen gebruikt niet-lineaire wiskunde en een minuscule energie-uitgave. Deze snelle reactie en bescheiden energiegebruik is aantrekkelijk voor gemchaniseerde botsdetectoren. Huidige detectoren voor autonome auto's zijn erg groot en erg zwaar — de onderzoekers' botsdetector reageert in twee seconden. Ook, in plaats van een jack-of-all-trades detector, is de molybdeen sulfid-gebaseerde sensor taakspecifiek, maar omdat het zo klein is en zo weinig energie gebruikt, is dat acceptabel.

De fotodetector veroorzaakt een toename in apparaatstroom als reactie op een naderend object — het excitatie signaal — terwijl de onderliggende programmeerbare geheugenstapel altijd een afname in de stroom veroorzaakt — het inhibitie signaal. Wanneer een object nadert, wordt het excitatie signaal opgeteld bij de inhibitie stimuli, wat een non-monotone verandering in de apparaatstroom veroorzaakt, namakend de ontvluchtingrespons van de LGMD-zenuw in sprinkhanen. Het nieuwe apparaat kan potentiële botsingen van een verscheidenheid aan objecten met variërende snelheden detecteren.

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