Ingenjörer och företagsledare har arbetat med autonoma bilar i flera år, men det finns ett stort hinder för att göra dem tillräckligt billiga för att bli vanliga:De har behövt ett sätt att minska kostnaderna för lidar, tekniken som gör det möjligt för robotbaserade navigationssystem att upptäcka och undvika fotgängare och andra faror längs vägbanan genom att studsa ljusvågor från dessa potentiella hinder.

Dagens lidarer använder komplexa mekaniska delar för att skicka infraröda lasrar i ficklampsstorlek som snurrar runt som gammaldags, tuggummiljus ovanpå polisbilar - till en kostnad av $8, 000 till $30, 000.

Men nu arbetar ett team under ledning av elektroingenjören Jelena Vuckovic med att krympa de mekaniska och elektroniska komponenterna i en taklidar ner till ett enda kiselchip som hon tror skulle kunna massproduceras för så lite som några hundra dollar.

Projektet växer fram ur år av forskning vid Vuckovics labb för att hitta ett praktiskt sätt att dra fördel av ett enkelt faktum:Ungefär som solljus skiner genom glas, kisel är transparent för det infraröda laserljuset som används av lidar (förkortning för ljusdetektion och avstånd).

I en studie publicerad i Nature Photonics , forskarna beskriver hur de strukturerade kislet på ett sätt som använde dess infraröda transparens för att kontrollera, fokusera och utnyttja kraften hos fotoner, de udda partiklarna som utgör ljusstrålar.

Teamet använde en process som kallas invers design som Vuckovics labb har varit banbrytande under det senaste decenniet. Invers design bygger på en kraftfull algoritm som utarbetar en ritning för de faktiska fotoniska kretsarna som utför specifika funktioner – i det här fallet, skjuta en laserstråle ut framför en bil för att lokalisera föremål på vägen och dirigera det reflekterade ljuset tillbaka till en detektor. Baserat på fördröjningen mellan när ljuspulsen skickas framåt och när strålen reflekteras tillbaka till detektorn, lidarer mäter avståndet mellan bil och föremål.

Det tog Vuckovics team två år att skapa kretslayouten för lidar-on-a-chip-prototypen som de byggde i Stanfords nanotillverkningsanläggning. Postdoktor Ki Youl Yang och Ph.D. student Jinhie Skarda spelade nyckelroller i den processen, med avgörande teoretiska insikter från City University of New Yorks fysiker Andrea Alù och CUNY postdoktor Michele Cotrufo.

Att bygga denna avståndssökningsmekanism på ett chip är bara det första – även om det är viktigt – steget mot att skapa billiga lidarer. Forskarna arbetar nu med nästa milstolpe, säkerställer att laserstrålen kan svepa i en cirkel utan att använda dyra mekaniska delar. Vuckovic uppskattar att hennes labb är ungefär tre år ifrån att bygga en prototyp som skulle vara redo för ett vägtest.

"Vi är på väg att bygga ett lidar-on-a-chip som är tillräckligt billigt för att skapa en massmarknad för autonoma bilar, sa Vuckovic.