الوقت متأخر ومظلم، وسيارة ذاتية القيادة تعبر طريقًا ريفيًا ضيقًا. وفجأة تظهر ثلاثة أخطار في نفس الوقت.
It’s late, pitch dark, and a self-driving car winds down a narrow country road. Suddenly, three hazards appear at the same time.
ماذا سيحدث بعد ذلك؟
What happens next?
قبل أن تتمكن السيارة من استكشاف الضرر الذي قد يصيبها من العوائق، على السيارة أن تكتشف هذه العوائق جمع معلومات كافية عن حجمها، وهيئتها، وموضعها، بحيث تتمكن خوارزميات التحكم من رسم المسار الأكثر أمنًا. ومع عدم وجود إنسان يقود السيارة، فإن السيارة بحاجة إلى وجود عيون ذكية ومجسات من شأنها حل هذه التفاصيل بغض النظر عن الطقس أو درجة الظلام كل ذلك في جزء من الثانية.
Before it can navigate this onslaught of obstacles, the car has to detect them— gleaning enough information about their size, shape, and position, so that its control algorithms can plot the safest course. With no human at the wheel, the car needs smart eyes, sensors that’ll resolve these details— no matter the environment, weather, or how dark it is— all in a split-second.
هذه مهمة صعب تنفيذها، لكن هناك حل يربط بين شيئين: نوع خاص من مسار يعمل بالليزر يسمى ليدار، ونسخة مصغرة من تكنولوجيا الاتصالات التي تحافظ على نشاط الإنترنت تسمى فوتونيات متكاملة.
That’s a tall order, but there’s a solution that partners two things: a special kind of laser-based probe called LIDAR, and a miniature version of the communications technology that keeps the internet humming, called integrated photonics.
ولفهم الليدار، سيساعدنا البدء بتكنولوجيا ذات صلة — رادار. في الطيران، تطلق هوائيات الراديو نبضات من موجات الراديو أو الموجات الدقيقة تجاه الطائرات لمعرفة مواقعها عبر تحديد الوقت المستغرق من الإشارات اللاسلكية للارتداد مرة أخرى. بالرغم من ذلك، هذه طريقة محدودة الرؤية، وهذا يرجع إلى أن الإشارة اللاسلكية كبيرة الحجم لا يمكنها تصور التفاصيل الدقيقة. وفي المقابل، نظام ليدار للسيارة ذاتية القيادة، الذي يعني النظام الضوئي للكشف وتحديد المدى، يستخدم ليزر الأشعة تحت الحمراء غير المرئي الضيق، ويمكنه رؤية معالم صغيرة مثل زر قميص أحد المشاة عبر الطريق. لكن كيف يمكننا تحديد الهيئة، أو عمق هذه الملامح؟
To understand LIDAR, it helps to start with a related technology— radar. In aviation, radar antennas launch pulses of radio or microwaves at planes to learn their locations by timing how long the beams take to bounce back. That’s a limited way of seeing, though, because the large beam-size can’t visualize fine details. In contrast, a self-driving car’s LIDAR system, which stands for Light Detection and Ranging, uses a narrow invisible infrared laser. It can image features as small as the button on a pedestrian’s shirt across the street. But how do we determine the shape, or depth, of these features?
يطلق الليدار سلسلة من نبضات آشعة الليزر القصيرة للغاية لإعطاء دقة العمق. لنأخذ مثلا غزال الموظ على الطريق الريفي أثناء مرور السيارة، تنشر أحد نبضات الليدار عبر قاعدة قرونه، بينما تتجه الأخرى التي تليها إلى حافة أحد القرون قبل الارتداد مرة أخرى. إن قياس كم المدة الأطول التي تستغرقها النبضة الثانية للعودة يقدم بيانات عن هيئة القرن. وفي ظل النبضات القصيرة، يعطي نظام الليدار سريعًا مجموعة مواصفات أساسية مفصلة.
LIDAR fires a train of super-short laser pulses to give depth resolution. Take the moose on the country road. As the car drives by, one LIDAR pulse scatters off the base of its antlers, while the next may travel to the tip of one antler before bouncing back. Measuring how much longer the second pulse takes to return provides data about the antler’s shape. With a lot of short pulses, a LIDAR system quickly renders a detailed profile.
تمثل أبرز الطرق لخلق نبضات من الضوء هي في تشغيل الليزر وإيقافه. ولكن هذا يجعل الليزر غير مستقر ويؤثر على التوقيت الدقيق لنبضاته، الأمر الذي من شأنه أن يحدّ من دقة العمق. من الأفضل تركه مفتوحًا، واستخدام شيء آخر لمنع الضوء بصفة دورية على نحو يمكن الاعتماد عليه وسريع.
The most obvious way to create a pulse of light is to switch a laser on and off. But this makes a laser unstable and affects the precise timing of its pulses, which limits depth resolution. Better to leave it on, and use something else to periodically block the light reliably and rapidly.
وهنا تأتي الفوتونات المتكاملة. البيانات الرقمية للإنترنت يتم بواسطة دقة توقيت نبضات الضوء، بعضها قصير كقصر مئات البيكو ثانية. وتمثل أحد الطرق لخلق النبضات هو باستخدام مضمن ماخ-زيندر. يستفيد هذا الجهاز من أحد الخواص المعينة للموجة، تسمى التداخل. تخيل إسقاط حصى داخل بركة: حيث أن مع انتشار التموجات وتداخلها، تتشكل أنماط. في بعض المواضع، تزداد قمم التموجات لتصبح كبيرة للغاية؛ وفي مواضع أخرى، تختفي كليًا. يفعل مضمن ماخ-زيندلر شيئًا مشابهًا. فهو يقوم بتقسيم موجات الضوء على طول ذراعين متوازيين وفي النهاية. إذا تباطأ الضوء وتأخر في أحد الذراعين، تجتمع الأمواج مرة أخرى دون تزامن وتلغي وتسد الضوء. عند حدوث تأرجح لهذا التأخير في أحد الذراعين، فإن المضمن يعمل كمفتاح تشغيل/ إيقاف، حيث يرسل نبضات من الضوء. تدوم نبضة الضوء الواحدة لمئة بيكو ثانية وتسبب دقة عمق تبلغ بضعة سنتيمترات، لكن السيارات في المستقبل ستحتاج لترى أفضل من ذلك. من خلال توصيل المضمن بكاشف للضوء فائق الحساسية وسريع العمل، التصميم يمكن إسناده إلى ملليمتر. هذا أفضل بمائة مرة. من ما يمكننا صنعه رؤية 20/20 من عبور الشارع.
That’s where integrated photonics come in. The digital data of the internet is carried by precision-timed pulses of light, some as short as a hundred picoseconds. One way to create these pulses is with a Mach-Zehnder modulator. This device takes advantage of a particular wave property, called interference. Imagine dropping pebbles into a pond: as the ripples spread and overlap, a pattern forms. In some places, wave peaks add up to become very large; in other places, they completely cancel out. The Mach-Zehnder modulator does something similar. It splits waves of light along two parallel arms and eventually rejoins them. If the light is slowed down and delayed in one arm, the waves recombine out of sync and cancel, blocking the light. By toggling this delay in one arm, the modulator acts like an on/off switch, emitting pulses of light. A light pulse lasting a hundred picoseconds leads to a depth resolution of a few centimeters, but tomorrow’s cars will need to see better than that. By pairing the modulator with a super- sensitive, fast-acting light detector, the resolution can be refined to a millimeter. That’s more than a hundred times better than what we can make out with 20/20 vision, from across a street.
الجيل الأول من السيارات الليدار وقد اعتمدت على تركيبات الدوران المعقدة أن المسح الضوئي من أسطح وأعمدة المنازل. بالدائرة الضوئية المتكاملة، يتم تقليص أداة الكشف والتضمين إلى أقل من عُشر المليمتر، وتعبئتها في رقائق صغيرة حيث تتناسب مع أضواء السيارة. وسوف تشمل هذه الرقائق أيضاً تغيرًا ذكيًا في الموجة الكهرومغناطيسية للمساعدة في التخلص من الأجزاء المتحركة والمسح بسرعة كبيرة.
The first generation of automobile LIDAR has relied on complex spinning assemblies that scan from rooftops or hoods. With integrated photonics, modulators and detectors are being shrunk to less than a tenth of a millimeter, and packed into tiny chips that’ll one day fit inside a car’s lights. These chips will also include a clever variation on the modulator to help do away with moving parts and scan at rapid speeds.
عن طريق إبطاء الضوء في يد المتغير، هذا الجهاز الإضافي سوف يعمل أكثر من التبديل بين الإطفاء/ التشغيل. إذا هناك مجموعة من هذه المتغيرات الكثيرة، يسهل التحكم في كلٍ منها بسهولة، تتجمع بالتوازي، شئ بديع يمكن تصميمه: شعاع الليزر للتوجيه.
By slowing the light in a modulator arm only a tiny bit, this additional device will act more like a dimmer than an on/off switch. If an array of many such arms, each with a tiny controlled delay, is stacked in parallel, something novel can be designed: a steerable laser beam.
من وجهة نظرهم الجديدة، هذه العيون الذكية ستدقق وتري بوضوح أكثر من أي شيء يمكن أن يتصور الطبيعة ويساعد في اجتياز أي عقبات. كل ذلك دون بذل أي جهد باستثناء ربما غزالًا مشوشًا وحدًا.
From their new vantage, these smart eyes will probe and see more thoroughly than anything nature could’ve imagined— and help navigate any number of obstacles. All without anyone breaking a sweat— except for maybe one disoriented moose.