Avance en Chip MEMS Ofrece Resolución Récord en LiDAR, Reduciendo Costes para Vehículos Autónomos

LiDAR de estado sólido de alta resolución usando un array de interruptores MEMS reducirá su coste para igualar el de cámaras y sistemas de radar basados en chips económicos — eliminando una barrera mayor para adoptar LiDAR en vehículos autónomos.

Limitaciones del LiDAR Mecánico Actual

Aunque cámaras y sistemas de radar basados en chips económicos han pasado al mainstream para evitación de colisiones y conducción autónoma en autopista, los sistemas de navegación LiDAR siguen siendo dispositivos mecánicos voluminosos que cuestan miles de dólares.

Eso puede estar a punto de cambiar, gracias a un nuevo tipo de chip LiDAR de alta resolución desarrollado por Ming Wu, profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación y co-director del Berkeley Sensor and Actuator Center en la Universidad de California, Berkeley.

Array de Interruptores de Plano Focal (FPSA) con 16.384 Píxeles

El LiDAR de Wu se basa en un array de interruptores de plano focal (FPSA), una matriz basada en semiconductores de antenas a escala micrométrica que recoge luz como los sensores en cámaras digitales. Su resolución de 16.384 píxeles puede no sonar impresionante comparada con los millones de píxeles en cámaras de smartphones, pero supera enormemente los 512 píxeles o menos encontrados en FPSAs hasta ahora, dijo Wu.

El diseño es escalable a tamaños de megapíxeles usando la misma tecnología de semiconductores de óxido metálico complementario (CMOS) usada para producir procesadores de computadora, dijo Wu. Esto podría llevar a una nueva generación de sensores 3D potentes y de bajo coste no solo para coches autónomos, sino también para drones, robots y smartphones.

Funcionamiento: Interruptores MEMS y Guías de Onda

Los sistemas LiDAR mecánicos usan láseres para visualizar objetos a cientos de yardas, incluso en la oscuridad. También generan mapas 3D con resolución suficiente para que la IA de un vehículo distinga entre vehículos, bicicletas, peatones y otros obstáculos.

Sin embargo, poner estas capacidades en un chip ha frustrado a investigadores por más de una década.

"Queremos iluminar un área muy grande", dijo Wu. "Pero si intentamos hacer eso, la luz se vuelve demasiado débil para alcanzar una distancia suficiente. Entonces, como compromiso de diseño para mantener la intensidad de la luz, reducimos el área que iluminamos con nuestra luz láser."

Este LiDAR consiste en una matriz FPSA de diminutos transmisores ópticos e interruptores MEMS que se encienden y apagan rápidamente para mover físicamente las guías de onda de una posición a otra, canalizando toda la potencia láser disponible a través de una sola antena a la vez.

Los interruptores MEMS son una tecnología conocida usada para enrutar luz en redes de comunicaciones. Esta es la primera vez que se aplican a LiDAR, sin embargo. Comparados con interruptores termo-ópticos, son mucho más pequeños, usan mucha menos energía, conmutan más rápido y tienen pérdidas de luz muy bajas.

Son la razón por la que Wu puede meter 16.384 píxeles en un chip cuadrado de 1 centímetro. Cuando el interruptor enciende un píxel, emite un haz láser y captura la luz reflejada. Cada píxel equivale a 0,6 grados del campo de visión de 70 grados del array. Al ciclar rápidamente a través del array, el FPSA de Wu construye una imagen 3D del mundo alrededor. Montar varios en configuración circular produciría una vista de 360 grados alrededor de un vehículo.

Retos Pendientes: Resolución y Alcance

Wu necesita aumentar la resolución y el alcance del FPSA antes de que su sistema esté listo para comercialización. "Mientras que las antenas ópticas son difíciles de hacer más pequeñas, los interruptores siguen siendo los componentes más grandes, y pensamos que podemos hacerlos mucho más pequeños", dijo.

También necesita aumentar el alcance del sistema, que es solo de 10 metros. "Estamos seguros de que podemos llegar a 100 metros y creemos que podríamos llegar a 300 metros con mejora continua", dijo Wu.

Si lo logra, la tecnología de producción CMOS convencional promete hacer LiDAR del tamaño de un chip económico parte de nuestro futuro.

"Miren cómo usamos cámaras", dijo Wu. "Están embebidas en vehículos, robots, aspiradoras, equipos de vigilancia, biométrica y puertas. Habrá tantas más aplicaciones potenciales una vez que reduzcamos el LiDAR al tamaño de una cámara de smartphone."