Kollisionsdetektor ahmt Heuschreckenschwärme nach

Heuschreckenplagen mit Millionen von Insekten fliegen über den Himmel, um Ernten anzugreifen, aber die einzelnen Insekten kollidieren in diesen massiven Schwärmen nicht miteinander. Ein Team von Ingenieuren entwickelt einen Kollisionsdetektor mit geringem Stromverbrauch, der die Vermeidungsreaktion von Heuschrecken nachahmt, um Robotern, Drohnen und sogar selbstfahrenden Autos dabei zu helfen, Kollisionen zu vermeiden.

Heuschrecken verwenden ein einzelnes, spezialisiertes Neuron namens Lobula Giant Movement Detector (LGMD), um Kollisionen zu vermeiden. Das Neuron empfängt zwei unterschiedliche Signale. Das erste ist ein Bild einer sich nähernden Heuschrecke, die auf das Auge der ausweichenden Heuschrecke fällt. Je näher die eindringende Heuschrecke kommt, desto größer wird das Bild und desto stärker wird dieses Anregungssignal. Die andere Eingabe ist die Änderung der Winkelgeschwindigkeit der eindringenden Heuschrecke in Bezug auf die ausweichende Heuschrecke. Da das Neuron zwei Zweige hat, berechnet die Heuschrecke die Änderungen in diesen beiden Eingaben und erkennt, dass etwas kollidieren wird, also ändert die ausweichende Heuschrecke die Richtung.

Die Forscher entwickelten einen kompakten Kollisionsdetektor im Nanomaßstab, der Molybdänsulfid-Monoschichten als Photodetektor verwendet. Sie platzierten den Fotodetektor auf einer programmierbaren Floating-Gate-Speicherarchitektur, die die Neuronenreaktion der Heuschrecke mit nur einer winzigen Energiemenge nachahmen kann.

Heuschrecken bewegen sich mit zwei bis drei Meilen pro Stunde und machen Richtungsänderungen in Hunderten von Millisekunden. Die Entscheidung, sich zu bewegen, verwendet nichtlineare Mathematik und einen winzigen Energieaufwand. Diese schnelle Reaktion und der bescheidene Energieverbrauch sind attraktiv für mechanisierte Kollisionsdetektoren. Aktuelle Detektoren für autonome Autos sind sehr groß und sehr schwer – der Kollisionsdetektor der Forscher reagiert in zwei Sekunden. Außerdem ist der auf Molybdänsulfid basierende Sensor kein Alleskönner-Detektor, sondern aufgabenspezifisch, aber weil er so klein ist und so wenig Energie verbraucht, ist das akzeptabel.

Der Fotodetektor verursacht eine Erhöhung des Gerätestroms als Reaktion auf ein entgegenkommendes Objekt – das Erregungssignal – während der zugrunde liegende programmierbare Speicherstapel immer eine Verringerung des Stroms verursacht – das Hemmungssignal. Wenn sich ein Objekt nähert, wird das Erregungssignal zu den hemmenden Stimuli hinzugefügt, was eine nicht-monotone Änderung des Gerätestroms verursacht und die Fluchtreaktion des LGMD-Neurons nachahmt, das in Heuschrecken gefunden wird. Das neue Gerät kann potenzielle Kollisionen einer Vielzahl von Objekten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten erkennen.

Die Forscher haben das Gerät nur mit Objekten auf direktem Kollisionsweg getestet; Sie müssen die Antworten noch für zusätzliche Situationen optimieren.