LiDAR
La industria del automóvil tiene una visión clara: los vehículos del futuro deben poder moverse en el tráfico de un modo totalmente autónomo. Para hacerlo, el coche debe poder percibir el entorno que lo rodea mucho mejor de lo que es capaz actualmente. Bühler, con su tecnología de recubrimiento, es parte de este desarrollo. Los sensores recubiertos serán los ojos de los vehículos del futuro.
Agosto de 2019
Todos estamos rodeados de innumerables sensores en nuestra vida cotidiana: nuestros teléfonos inteligentes, nuestro coche, la pulsera de fitness en nuestra muñeca, el frigorífico inteligente, el robot cortacésped, el alumbrado público inteligente. El mundo técnico se compone en gran medida de tecnologías de sensores que cambian y se desarrollan rápidamente. Nuestros dispositivos móviles son más inteligentes, intuitivos y sensibles, y consumen menos energía. Y los sensores que contienen son cada vez más pequeños y precisos.
El mercado de los sensores está impulsado desde dos flancos a la vez: por un lado, hay muchas soluciones de gama alta en ámbitos muy especializados, como la medicina avanzada o la investigación espacial, y los fabricantes buscan ahora la manera de hacerlas accesibles a los consumidores de a pie escalando la producción. Por otro lado, hay una mayor demanda por parte del consumidor final: una vez que una tecnología ha llegado al sector de consumo, todo el mundo la quiere. Y la quieren a un precio razonable. Esto, a su vez, lleva a los fabricantes a producir cantidades aún mayores al mismo tiempo para reducir los precios.
Desde su invención, conducir un coche ha implicado que una persona maneje un volante mientras mira por encima de él para decidir por dónde debe ir la máquina. Por supuesto, entran en juego más habilidades y estrategias cognitivas para tratar con las muchas eventualidades que uno se encuentra en el tráfico y que requieren decisiones inteligentes. Sucesos como que una gallina se cruce en la carretera, que un motorista adelante por la derecha en medio de un tráfico denso o que un vehículo que viene en sentido contrario invada nuestro carril al trazar una curva. El conductor percibe todos estos sucesos y toma una decisión basada en su experiencia.
Desde hace ya algún tiempo, la industria del automóvil investiga cómo hacer más seguras las situaciones de tráfico, con todos sus participantes. Para ello se han desarrollado sistemas de asistencia para frenada de emergencia, retrovisores mejorados y faros inteligentes. Se trata de funciones que asisten a las personas durante la conducción y las ayudan a anticipar y evitar mejor los peligros.
"Hoy en día, la industria se enfrenta a otra revolución. Cada vez más, se espera que el coche no solo asista al conductor, sino que tome decisiones por él", explica el Dr. Steffen Runkel, Director de Óptica de Bühler Leybold Optics. "El control de crucero adaptativo reduce la velocidad cuando el coche se acerca demasiado al vehículo que tiene delante, el asistente de punto ciego avisa de los vehículos que se acercan por los laterales, el asistente de carril notifica al conductor cuando el coche se desvía involuntariamente hacia el borde del carril".
La tecnología que hace posible equipar el coche con "nervios" ópticos adicionales procede de la industria de los semiconductores. Los sensores escanean el entorno y estiman distancias o perciben objetos: el vehículo aprende a través de ellos a percibir el entorno por sí mismo.
Los sensores solo son tan buenos como su recubrimiento Los sensores se colocan en distintos lugares del vehículo en función de su campo de aplicación. Se envía un rayo láser para iluminar el campo de visión del sensor. La luz reflejada por el entorno es captada y evaluada por un detector. Así es como el sensor detecta el tamaño y la distancia del objeto. Uno de los retos de esta tecnología es que el sensor detecte las ondas luminosas reflejadas que son importantes para el uso del detector. Todas las demás ondas luminosas que distraen la atención, como la luz solar, deben mantenerse alejadas del detector. La selección de las ondas luminosas se realiza con ayuda de lo que se denomina un filtro pasabanda, que consiste en una determinada secuencia de capas ópticas de espesor nanométrico.
Bühler Leybold Optics, en Alzenau (Alemania), está especializada en este campo. Hace casi 20 años desarrolló su tecnología HELIOS, que se utiliza para fabricar exactamente este tipo de filtros. "La tecnología se basa en el método de pulverización catódica o 'sputtering'. Para ello, se utiliza un material como el silicio o el tantalio para el recubrimiento, que se denomina blanco o 'target'. Este se coloca como un bloque en el cátodo", explica el Dr. Runkel. "Con la ayuda de un plasma energético, se crean iones individuales que bombardean el material del blanco. Esto expulsa átomos individuales de silicio o tántalo del material del blanco que, a su vez, se condensan en el filtro. Añadiendo gas oxígeno, estas capas se oxidan y se vuelven transparentes. El resultado son varias capas nanométricas de diversos materiales. Según su composición, estas capas filtran distintas longitudes de onda".
La tecnología HELIOS ha avanzado tanto hoy en día que los filtros producidos pueden clasificar las ondas luminosas con gran diferenciación. Funcionan en el espectro luminoso que va del ultravioleta al infrarrojo aplicando a un filtro hasta 800 capas de diversos materiales ópticos. Otro factor decisivo es que un sistema HELIOS puede recubrir varias piezas simultáneamente, lo que aumenta el volumen de producción. Esto hace que la producción de filtros sea mucho más rentable.
Se espera que el coche no solo asista al conductor, sino que tome decisiones propias.
Dr. Steffen Runkel, Director de Óptica, Bühler Leybold Optics
"Si pensamos en el futuro, nuestra tecnología es muy adecuada para fabricar sensores ópticos en vehículos autónomos", afirma el Dr. Runkel. "Está claro que un coche solo puede conducir por sí mismo si detecta completamente su entorno". Por supuesto, se necesita algo más que sensores ópticos. Un vehículo autónomo debe evaluar toda la información generada por el sensor en tiempo real y convertirla en una acción adecuada. "Por ello, un coche autónomo necesita programas de software inteligentes adicionales basados en inteligencia artificial que puedan tomar las decisiones correctas", explica el Dr. Runkel. La euforia del sector por que tanto los vehículos públicos como los privados puedan ser completamente autónomos en el futuro aún está algo contenida.
A pesar de las exhaustivas investigaciones, el cambio a tráfico autónomo llevará probablemente algo más de tiempo del previsto inicialmente, ya que los objetos siguen identificándose erróneamente. "Si un camión que viene por la izquierda no es reconocido como un camión sino como un puente, entonces el sistema sigue siendo incorrecto.
En la actualidad, el sistema de cámaras solo detecta las señales de tráfico con un 90 % de precisión. Hasta ahora, no existe ningún sistema capaz de detectar con fiabilidad todas las eventualidades", explica Klaus Herbig, Director de Gestión de Productos Ópticos de Bühler.
Esto no impide que la industria del automóvil siga creyendo en esta visión. Sobre todo gracias a la viabilidad técnica de la tecnología LiDAR, que ahora está al alcance de la mano. LiDAR (abreviatura de "light detection and ranging") es un método relacionado con el radar que funciona con rayos de luz en lugar de ondas de radio. "LiDAR emite un rayo láser que es reflejado por el objeto y captado de nuevo. Uno de los retos es que el rayo láser debe escanear todo el entorno. En comparación con los sensores convencionales, el LiDAR no solo detecta objetos, sino que también los clasifica y determina la distancia y el movimiento en relación con el vehículo. Una dificultad añadida es la cobertura fiable de distancias de hasta 250 metros en cualquier condición meteorológica", afirma el Dr. Runkel.
Los primeros prototipos de sistemas LiDAR ya se han instalado en los techos de los coches. Están dispuestos en cajas en distintos ángulos para poder captar todo el entorno. Sin embargo, estos sistemas solo podrán alcanzar la madurez de mercado cuando los componentes sean más pequeños y puedan integrarse en elementos ya existentes en los coches, como los faros. "Actualmente, toda la industria trabaja a marchas forzadas en este campo, tanto empresas ya establecidas como muchas start-ups. Hay unas 100 start-ups en todo el mundo que tienen sus propias ideas sobre cómo podría funcionar la tecnología LiDAR en los coches del futuro", afirma el Dr. Runkel.
El LiDAR en sí no es nuevo. La tecnología ya se utiliza en satélites y diversas aplicaciones militares. "En estos ámbitos, un sistema puede costar varios miles de euros", explica Herbig. "En la industria del automóvil, hablamos de cantidades mucho mayores. En la gama alta, un dispositivo de este tipo podría costar incluso un poco más, pero una vez que nos acercamos a la clase media o compacta, entonces estamos hablando de un rango de cientos de euros". Dentro del departamento de Óptica, Herbig se encarga de reconocer puntualmente las tendencias del mercado. "Esto es crucial para nosotros, para poder seguir desarrollando nuestras soluciones en función de las necesidades de nuestros clientes. Por ejemplo, para reducir los costes de producción, los factores críticos que nos diferencian de la competencia son los grandes volúmenes y un alto nivel de automatización", explica.
Actualmente, toda la industria trabaja a marchas forzadas en la tecnología lidar.
Dr. Steffen Runkel, Director de Óptica, Bühler Leybold Optics
Sin embargo, el equipo de Bühler Leybold Optics en Alzenau solo podrá abordar estos nuevos desarrollos cuando esté claro cómo se utilizará esta tecnología a gran escala. "Muchos de nuestros clientes están investigando actualmente este campo. En consecuencia, es crucial para nosotros mantener nuestros contactos y cooperar con nuestros clientes a fin de proporcionarles los recubrimientos necesarios en este ámbito. Somos expertos en tratamiento óptico de capas finas", señala Herbig. Bühler Leybold Optics tiene buenos contactos en el sector y mantiene contactos regulares con instituciones de investigación de Alemania, Francia y Bélgica. "También estamos en contacto con varios fabricantes de automóviles y sus proveedores", explica Herbig. "Les ofrecemos la oportunidad de probar sus ideas creativas y desarrollos en nuestro centro de aplicación de Alzenau".
El centro de aplicación se creó hace un año y medio e incluye un área de pruebas de 1200 metros cuadrados, un laboratorio de alta tecnología y una modernísima zona de investigación y desarrollo. Como consecuencia de la alta demanda, Bühler acaba de instalar allí dos sistemas HELIOS de última generación.
También hay una máquina de revestimiento DLC (revestimiento de carbono como diamante) que se utiliza para fabricar elementos como cámaras de visión nocturna. Estas ayudan al conductor a detectar antes posibles riesgos en la oscuridad y en condiciones de luz difíciles. Las cámaras orientadas hacia delante deben soportar cargas enormes, como tormentas y tráfico intenso.
El DLC puede recubrir la ventana exterior de la cámara para hacerla muy resistente. Para los clientes de Bühler, el centro de aplicación supone un enorme valor añadido, sobre todo para aquellos que aún no tienen mucha experiencia con la tecnología de tratamiento óptico de capas finas. "Muchas de estas ideas están aún en una fase inicial, pero pronto se aplicarán de una forma u otra", explica el Dr. Runkel. "Estamos hablando del coche del futuro que aprende a ver gracias a una serie de sensores inteligentes basados en tecnologías ópticas".
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