Heuschrecken-inspirierter Kollisionsdetektor erhöht Roboter- und Fahrzeugsicherheit

Heuschreckenschwärme mit Millionen von Insekten fliegen über den Himmel, um Felder anzugreifen, doch die einzelnen Insekten kollidieren nicht miteinander in diesen riesigen Schwärmen. Ein Ingenieurteam entwickelt einen energiesparenden Kollisionsdetektor, der die Vermeidungsreaktion der Heuschrecke nachahmt, um Roboter, Drohnen und sogar selbstfahrende Autos vor Kollisionen zu schützen.

Heuschrecken nutzen 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 eines sich nähernden Heuschreckens, das auf dem Auge des ausweichenden Heuschreckens fällt. Je näher der eindringende Heuschreck kommt, desto größer das Bild und desto stärker wird dieses Erregungssignal. Der andere Input ist die Änderung der Winkelgeschwindigkeit des eindringenden Heuschreckens relativ zum ausweichenden Heuschreck. Da das Neuron zwei Zweige hat, berechnet die Heuschrecke die Änderungen dieser beiden Eingänge und erkennt, dass eine Kollision droht, woraufhin der ausweichende Heuschreck die Richtung ändert.

Die Forschenden entwickelten einen kompakten, nanoskaligen Kollisionsdetektor aus Monolagen-Molybdänsulfid als Photodetektor. Sie platzierten den Photodetektor auf einer programmierbaren Floating-Gate-Speicherarchitektur, die die Neuronenreaktion der Heuschrecke mit nur minimaler Energie nachahmen kann.

Heuschrecken bewegen sich mit zwei bis drei Meilen pro Stunde und ändern die Richtung in hunderten Millisekunden. Die Entscheidungsfindung nutzt nichtlineare Mathematik und minimalen Energieaufwand. Diese schnelle Reaktion und bescheidene Energienutzung ist attraktiv für mechanisierte Kollisionsdetektoren. Aktuelle Detektoren für autonome Automobile sind sehr groß und sehr schwer – der Detektor der Forschenden reagiert in zwei Sekunden. Zudem ist der Molybdänsulfid-basierte Sensor aufgaben-spezifisch, aber weil er so klein und energiesparend ist, ist das akzeptabel.

Der Photodetektor verursacht eine Erhöhung des Gerätestroms als Reaktion auf ein sich näherndes Objekt – das Erregungssignal – während der darunterliegende programmierbare Speicherstapel stets eine Abnahme des Stroms bewirkt – das Inhibitor-Signal. Wenn sich ein Objekt nähert, wird das Erregungssignal zu den inhibitorischen Reizen addiert, was eine nicht-monotone Änderung des Gerätestroms verursacht und die Fluchtreaktion des LGMD-Neurons in Heuschrecken nachahmt. Das neue Gerät kann potenzielle Kollisionen einer Vielzahl von Objekten bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten erkennen.

Die Forschenden haben das Gerät nur mit Objekten auf direktem Kollisionskurs getestet; sie müssen die Reaktionen für zusätzliche Situationen noch optimieren.