It’s late, pitch dark, and a self-driving car winds down a narrow country road. Suddenly, three hazards appear at the same time.
Faz-se tarde, está escuro como breu e um carro autónomo abranda numa estrada rural estreita. Subitamente, aparecem três obstáculos ao mesmo tempo.
What happens next?
O que acontece de seguida?
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.
Antes de conseguir orientar-se perante esta investida de obstáculos, o carro tem de os detetar: compilando informações suficientes sobre o seu tamanho, forma e posição, de modo que os seus algoritmos de controlo consigam traçar a rota mais segura. Sem uma pessoa ao volante, o carro precisa de olhos inteligentes: sensores que decomponham esses detalhes, independentemente do ambiente, do tempo, ou da escuridão, tudo numa fração de segundos.
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.
É uma tarefa difícil, mas há uma solução que combina duas coisas: um tipo especial de sonda baseado em "lasers", o LIDAR, e uma versão em miniatura da tecnologia de comunicação que mantém a Internet a funcionar, chamada fotónica integrada.
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?
Para compreender o LIDAR, ajuda começar por uma tecnologia relacionada: o radar. Na aviação, as antenas de radar enviam pulsos de rádio ou de micro-ondas para os aviões para determinar as suas localizações ao temporizar o reflexo dos pulsos. No entanto, essa é uma visualização limitada porque os grandes feixes não conseguem visualizar os pequenos detalhes. Em contraste, num carro autónomo, o sistema LIDAR que significa Sistema de Varredura a Laser, utiliza um "laser" invisível estreito de infravermelhos. Consegue visualizar detalhes tão pequenos como o botão da camisa de um transeunte, do outro lado da rua. Mas como determinamos a forma ou profundidade dessas características?
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.
O LIDAR dispara um conjunto de pulsos "laser" muito curtos para determinar a sua profundidade. Imaginem um alce numa estrada rural. À medida que o carro anda, um pulso LIDAR dispersa-se na base dos seus galhos, enquanto um outro talvez viaje até ao topo de um galho antes de se refletir. Ao medir quanto mais tempo demora o segundo pulso a voltar, obtêm-se informações sobre a forma do galho. Com muitos pulsos curtos, um sistema LIDAR forma rapidamente um perfil detalhado.
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.
A forma mais óbvia de criar um pulso de luz é ligar e desligar um "laser". Mas isto torna o laser instável e afeta a temporização precisa dos seus pulsos, o que limita a sua profundidade. O melhor é deixá-lo ligado, e utilizar outra coisa para bloquear a luz periodicamente de modo rápido e fiável.
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.
É aí que entra a integração fotónica. Os dados digitais da Internet são transportados por pulsos de luz temporizados precisamente, alguns tão curtos quanto 100 picossegundos. Uma forma de criar esses pulsos é através de um modulador Mach-Zehnder. Este dispositivo tira proveito de uma propriedade particular da onda, designada interferência. Imaginem deixar cair umas pedrinhas num lago: as ondulações espalham-se e sobrepõem-se, formando um padrão. Nalguns lugares, os picos das ondas sobrepõem-se e tornam-se enormes. Noutros, cancelam-se uns aos outros. O modulador Mach-Zehnder faz algo semelhante. Divide ondas de luz ao longo de dois braços paralelos e reúne-os eventualmente. Se a luz for atrasada num braço, as ondas reúnem-se fora de sincronia e cancelam-se, bloqueando a luz. Ao comutar este atraso num braço, o modulador age como um interruptor, emitindo pulsos de luz. Um pulso de luz, que dura 100 picossegundos, forma uma resolução de alguns centímetros, mas os carros do futuro vão precisar de ver melhor que isso. Ao combinar o modulador com um detetor de luz bastante sensível e de ação rápida, a resolução pode ser melhorada até um milímetro. Isso é mais de uma centena de vezes melhor que a visão perfeita de uma pessoa do outro lado da rua.
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.
O primeiro LIDAR para automóveis baseou-se em montagens complexas giratórias que digitalizam a partir de telhados ou capôs. Com a integração fotónica, os moduladores e detetores estão a ser encolhidos para menos de 0,1 milímetros, e colocados em pequenos chips que, um dia, caberão dentro dos faróis dos carros. Estes chips também incluirão uma variação inteligente do modulador para acabar com as partes móveis e poder digitalizar a altas velocidades.
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.
Ao atrasar apenas um pouco a luz no braço do modulador este componente adicional agirá mais como um regulador do que um interruptor. Se um conjunto de braços destes, cada um com um atraso controlado, estiver colocado em paralelo, algo novo pode ser concebido: um feixe "laser" orientável.
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.
Com esta nova vantagem, estes olhos inteligentes conseguem sondar e ver mais detalhadamente do que alguma vez a Natureza conseguiu, e ajudar a orientar-se entre qualquer número de obstáculos. Tudo sem o esforço de ninguém, exceto talvez o de um alce desorientado.