It’s late, pitch dark, and a self-driving car winds down a narrow country road. Suddenly, three hazards appear at the same time.
دیروقت است و اوجِ تاریکی و خودرویی خودران از جاده باریکِ برونشهری به آرامی میگذرد ناگهان، سه خطر همزمان پدیدار میشوند.
What happens next?
بعدش چه اتفاقی میافتد؟
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.
پیش از اینکه بتواند یورش این موانع را هدایت کند، خودرو باید آنها را شناسایی کند ــ اطلاعات کافی درباره اندازه، شکل و موقعیتشان جمع کند، بهطوری که الگوریتمهای کنترلی آن بتوانند امنترین مسیر را طراحی کنند. درحالی که هیچکس پشت فرمان نیست، خودرو به چشمان هوشمند نیاز دارد، حسگرهای که این جزئیات را حل خواهند کرد ــ مهم نیست محیط یا آب و هوا چطور باشد یا اینکه چقدر تاریک است ــ همه در کسری از ثانیه.
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.
دستور بلندیست اما راه حلی است که دو چیز را شریک موضوع میکند: نوع خاصی از کاوشگرِ مبتنی بر لیزر به نام LIDAR، و یک نسخه بسیار ریز از فناوری ارتباطات که اینترنت را پاسخگو نگه داشته که فوتونیکِ یکپارچه نامیده میشود.
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?
برای درک LIDAR، کمک کننده است که با فناوریِ مرتبط شروع کنیم ــ رادار. در صنعت هواپیمایی، آنتنهای رادار، پالسهای رادیویی یا مایکروویوی را در هواپیما میفرستند تا محلشان را با زمانگیری مدتی که طول میکشد تا پرتوها بازگردند. با این حال، این روشِ محدودی برای دیدن است، چون پرتوهایِ بزرگ قادر به تصویرسازی جزئیات کوچک نیستند. در مقابل، سیستم LIDAR خودروهای خودران که مخفف «تشخیص و اندازهگیری فاصله با استفاده از نور» است. از لیزر مادونقرمزِ محدودِ نامرئی استفاده میکند. (این سیستم) میتواند ویژگیهای یک تصویر به کوچکی دگمه پیراهن عابر پیادهای را در خیابان نشان دهد. اما چطور شکل، یا عمقِ این ترکیبات را تعیین کنیم؟
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.
LIDAR رشتهای از پالسهای لیزری فوقِ کوتاه برای ایجاد وضوح عمق پرتاب میکند. یک گوزن در جاده برونشهری را در نظر بگیرید. همانطور که ماشین در حال حرکت است، یک پالسِ LIDAR از وسط شاخهای گوزن رد میشود، در حالی که ممکن است بعدی پیش از بازگشت به نوک شاخ گوزن برخورد کند. اندازهگیری اینکه چقدر پالسِ دوم طول میکشد تا برگردد اطلاعات مربوط به شکل شاخ را تامین میکند. با کمک شمار زیادی پالسهای کوتاه، سیستمِ LIDAR به سرعت نمایه دقیقی ارائه میدهد.
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.
مشخصترین راه برای ایجاد یک پالس نوری، روشن و خاموش کردنِ لیزر است. اما این کار، لیزر را ناپایدار کرده و بر زمانْگیریِ دقیق پالسهایش اثر میگذارد، که وضوح عمق را محدود میسازد. بهتر است آن را روشن بگذارید و از چیز دیگری استفاده کنید تا به شکل دورهای نور را مطمئن و سریع مسدود کند.
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.
اینجاست که پای فوتونیک یکپارچه به ماجرا باز میشود. دادههای دیجیتالیِ اینترنت با پالسهای نوریِ دقیق-زمانبندی شده و برخی کمتر از صد پیکوثانیه منتقل میشوند. یکی از راههای ایجاد این پالسها استفاده از مدولاتور یا تعدیلگر نوری ماخ-زندر است. این دستگاه از یک ویژگیِ یک موج خاص به نام برهمنهی یا تداخل بهره می برد. تصور کنید سنگریزههایی داخل حوضچهای بریزید: با گسترش و برهمنهی/همپوشانی امواج، الگویی شکل می گیرد. در بعضی جاها، اوجِ امواج به هم افزوده شده و بسیار بزرگ میشوند؛ و در جاهای دیگر، آنها کاملاً همدیگر را خنثی میکنند. تعدیلگرنوری ماخ-زندر نیز کار مشابهی میکند. امواج نور را درامتداد دو بازوی موازی تقسیم کرده و در نهایت آنها را به هم میپیوندد. اگر نور در یک سو، آهسته شده و به تاخیر افتد، امواج به واسطه همگامسازیِ، ترکیب و لغو می شوند و نور را مسدود میکنند. با استفاده از این تاخیر در یک بازو، تعدیلگر مثل یک کلید روشن / خاموش عمل کرده و پالسهای نوری را منتشر میکند. یک پالس نوری صد پیکوثانیه طول میکشد و منجر به وضوح عمق چند سانتی متر میشود، اما خودروهای آینده به دیدِ بهتری از آن نیاز خواهند داشت. با اتصال تعدیلگر به یک حسگرِ نوریابِ فوقالعاده حساس و سریع، دقت را می توان تا یک میلی متر اصلاح کرد. صدها برابر بهتر از دیدی است که میتوانیم با وضوح دید کامل از آن سوی خیابان داشته باشیم.
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.
نخستین نسل از خودروی LIDAR بر دستگاه گردان نصبی متکی بوده که از روی سقف یا کاپوت خودرو اسکن میکنند. با فناوری فوتونیک یکپارچه تعدیلگر و حسگر به کمتر از یکدهم میلیمتر جمع شده، و به قدرِ تراشههای ریزی بستهبندی شده که روزی در داخل چراغ اتومبیل جای خواهند گرفت. این تراشهها همچنین شاملِ تغییر هوشمندانهای درتعدیلگر برای کمک به دور کردن قطعات متحرک و اسکن در سرعتهای بالا هستند.
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.
تنها با کاهش بسیار کم نور در بازوی دیگر تعدیلگر، این دستگاه الحاقی بیشتر شبیهِ نورکمکن کار میکند تا کلید روشن / خاموش. اگر ردیفی از شماری از این بازوها، هر یک با کمی تاخیر کنترلشده کوچک، به طور موازی جمع شوند، چیزی نو می توان طراحی کرد: پرتو لیزر قابل هدایت.
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.
بخاطرمزایای جدیدشان، این چشمان هوشمند به کاوش و دید دقیقتری میپردازند از هر چیزی که طبیعت میتواند تصورش را بکند ــ وبه هدایت از میان هر تعداد از موانع کمک میکنند. و همه اینها بدون اینکه کسی قطرهای عرق بریزد ــ غیر از گوزن گمگشته.