基于Memtransistor的碰撞检测方案受到昆虫的启发

当涉及到解决各种工程问题时，自然世界继续教会我们很多东西。沿着这些思路，ACS宣布宾夕法尼亚州立大学工程、科学和力学副教授Saptarshi Das和他的同事受昆虫的启发创建了一个碰撞检测系统。

在这篇文章中，我们探讨了碰撞检测为什么如此具有挑战性，并研究了PSU研究人员的发现细节。

 

PSU的研究人员基于蝗虫等昆虫构建了一个超低功率碰撞探测器。即使在黑暗中，该系统也能检测到潜在的崩溃。图片（授权）来自Adobe Stock Images

 

防撞系统面临的挑战

随着我们的车辆变得越来越先进和自动驾驶，这对照明不足和夜间的碰撞检测提出了挑战。防撞系统在无人驾驶汽车、无人驾驶飞机和导航机器人中发挥着重要作用。

目前的防撞系统通常很复杂，并且基于复杂的增强算法或热传感器提供见解，需要昂贵的硬件，这使得它们耗电且无法部署在远程位置。

当另一辆车或任何其他物体离得太近时，CAS可以自动刹车。它们可以超越驾驶员的控制，改变油门并踩下制动器。为了探测这些物体，他们依靠雷达或摄像机。然而，在大雨或弱光条件下，他们使用信号处理器来分析传感器数据。

另一方面，蝗虫和苍蝇等昆虫可以避免与可靠的基于尖峰的激光雷达（光探测和测距）发生碰撞，即使在晚上也能工作。受高效防撞系统的启发，宾夕法尼亚州立大学工程、科学和力学副教授Saptarshi Das和他的同事创建了一个基于尖峰的传感器内碰撞检测系统。

 

使薄膜晶体管投入工作

该系统使用了一个光电子集成电路，该集成电路由原子级薄的光敏记忆晶体管组成。他们试图模仿在许多昆虫身上发现的小叶巨型运动检测器（LGMD）神经元的逃逸反应，并演示了夜间涉及汽车的实时碰撞检测。

宾夕法尼亚州立大学（PSU）的研究团队设计了一种基于神经回路的算法来避开障碍物。他们没有处理摄像机的整个图像，而是只选择了一个变量：前照灯的强度。这种方法消除了对机载摄像机的需求，使整个探测器更小、更节能。

他们的系统包括八个由硫化钼制成的光敏忆阻晶体管，仅需40µm^2.面积，仅消耗几百皮焦耳的能量，比现有系统少数千倍。此外，他们的检测器可以在事故发生前2-3秒检测到潜在的车祸，为司机留出足够的时间刹车。

 

CAS的原子稀溶液

PSU的研究人员探索了蝗虫的LGMD神经元，这些神经元可以进行非线性计算，以确保及时检测到正面碰撞。在他们的论文中，他们报告说，基于尖峰的处理可以更快地完成复杂的任务，并提高能源效率。

 

昆虫防撞系统的数据。图片由Saptarshi Das和合著者提供。（点击图片放大）

 

基于硅互补MOS（金属氧化物半导体）技术和FPGA的昆虫碰撞探测器已经存在。然而，它们的感测单元在物理上与处理器分离。

此外，它们不允许基于尖峰的信息处理。研究人员引入了原子薄且光敏的记忆晶体管作为边缘传感器（具有传感器内计算能力），即使在夜间也能实现低功耗碰撞检测。

忆阻晶体管是忆阻器和晶体管技术的结合。它们将电阻开关与晶体管栅极相结合，通过控制单个状态和开关比来实现非线性电荷传输。在忆阻器中，多个忆阻器可以与单个晶体管连接，从而可以对神经元进行精确建模。

 

使用八个记忆晶体管的碰撞检测电路。图片由Saptarshi Das和合著者提供。（点击图片放大）

 

新的碰撞检测硬件包括一个由八个单层硫化钼记忆晶体管组成的可重新配置集成电路，用于感应和处理汽车前灯的强度。

它们的设计尺寸仅为40µm^2.并且仅消耗数百皮焦耳的能量。研究小组相信，他们的新型探测器可以帮助现有的CAS变得更好、更安全。