Om vätskekristaller och LIDAR

När företag försöker utveckla självkörande bilar har de en tendens att utrusta sina testfordon med ett stort antal sensorer av olika slag. En populär typ av sensor är lidar, en sensor som sänder ut korta pulser av laserljus (i regel infrarött) och mäter tiden det tar för pulsen att reflekteras av något i omgivningen och återvända till sensorn. Från informationen om hur lång tid som passerat och vilken riktning lasern pekade i är det lätt att ta reda på positionen för föremålet som reflekterade pulsen. Om man sedan sveper med lasern över olika vinklar får man en serie mätningar som ger avstånet till närmaste föremål för varje vinkel (bra att veta om man vill undvika att krocka med något). Detta ger en översikt över omgivningen i två dimensioner, och vill man så kan man placera flera lasrar ovanför varandra för att få en tredimensionell uppmätning av omgivningen. En lidar kan ge relativt högupplöst information om hur omgivningen ser ut upp till drygt hundra meters avstånd, så det är inte konstigt att de är populära bland de som samlar in data till algoritmer för autonom körning.

Å andra sidan finns det ju de som föredrar att inte använda lidar, som Elon Musks Tesla till exempel. Lidartekniken har ett antal nackndelar, till exempel att varje enskild lidarenhet är rätt dyr och att de har en tendens att gå sönder ofta på grund av att de innehåller så många rörliga delar. Vissa lidarsensorer har lasrar som helt enklet snurrar 360 grader, andra förlitar sig på mindre rörelser med speglar och olika mikroelektromekaniska element, men de verkar alla behöva rörliga delar som slits fort.

Nu finns det några som påstår sig ha löst det problemet, nämligen det amerikanska företaget Lumotive som i mars i år tillkännagav de att de har en metod för att slippa de rörliga delarna helt. Enligt IEEE Spectrum har de lyckats med detta genom att använda ett metamaterial med vätskekristaller för att sakta ner valda delar av laserstrålen relativt andra delar. Detta betyder att vågtoppar och vågdalar hos den elektromagnetiska vågen kommer att uppträda på olika ställen för olika delar av laserstrålen, vilket gör att de förstärker varandra i vissa riktningar och släcker ut varandra i andra riktningar. Genom att kontrollera vilka delar av strålen som saktas ner är det därför möjligt att kontrollera riktningen på strålen (detta är samma sak som det jag försökte beskriva när jag skrev om Radar och den snurrande grejen, fast nu gäller det infrarött istället för millimetervågor).

Om det här visar sig funka kommer det att bli väldigt användbart, men vad menas egentligen med ett metamaterial med vätskekristaller? Vi vet att ett metamaterial är ett artificiellt material som är konstruerat av små bitar eller komponenter gjorda av vanliga material och att de ofta designas för att ha rätt exotiska egenskaper. Så vad det gäller bör då vara ett artificiellt material där en av komponenterna är vätskekristaller.

Vätskekristaller är material, oftast bestående av väldigt långa molekyler, som beter sig lite som vätskor och lite som kristaller. (Här handlar det om den vetenskapliga betydelsen av kristall, d.v.s. att atomer och molekyler sitter ordnade i ett regelbundet tredimensionellt mönster, eller kristallgitter). Till exempel så kan vätskekristaller i regel flyta ut och ändra form som en vätska, men molekylerna håller sig ändå i ett någorlunda välordnat kristallgitter. Både Lumotives lidar och den mer välkända tillämpningen av vätskekristaller, alltså vätskekristallskärmar (LCD), använder sig av att det är lätt att ändra molekylernas riktning (eftersom det är en vätska) i kombination med de speciella optiska egenskaper som följer av kristallstrukturen.

Eftersom vätskekristaller oftast består av avlånga molekyler har de en tendens att vara väldigt anisotropa, det vill säga egenskaperna hos vätskekristallen är annorlunda om du betraktar den i en riktning längs med molekylerna jämfört med i en riktning som går på tvärs mot dem. När det gäller optiska egenskaper innebär detta att den hastighet som ljuset rör sig med i materialet, och därmed också materialets brytningsindex, är olika för ljus som rör sig längs molekylerna och för ljus som rör sig på tvärs mot molekylerna. Effekten är också beroende av hur molekylernas riktning förhåller sig till ljusets polarisation, på ett sätt som gör att vätskekristaller kan ändra polarisationsriktningen hos ljus som passerar igenom dem.

Den här förmågan att ändra polarisationsriktningen hos ljus är vad man använder sig av i LCD-skärmar. Påverkan på polarisationen är som sagt beroende av hur molekylerna är ordnade, och det kan man ändra på genom att utsätta dem för ett elektriskt fält. Genom att placera vätskekristall mellan polarisationsfilter och sedan justera orienteringen av molekylerna i vätskekristallen kan man antingen få mycket ljus att passera igenom, genom att se till att polarisationen på ljuset stämmer med båda polarisationsfiltren, eller få väldigt lite ljus att passera genom att se till att ljusets polarisation är vinkelrät mot åtminstone ett av polarisationsfiltren. Det gör att man kan slå av eller på varje enskild pixel med hjälp av de elektriska fält som styr molekylriktningen.

Metamaterialen som används i Lumotives lidarsensorer, å andra sdan, verkar bygga på att använda skillnaden i brytningsindex för olika riktningar i vätskekristallen*. Precis som i LCD-skärmar så kontrolleras riktningen på molekylerna med hjälp av elektriska fält, men med målet att justera brytningsindex till ett specifikt värde istället för att påverka polarisationen. Man kan se det som att man väljer om ljuset ska propagera längs med molekylerna, på tvärs mot dem eller i någon annan vinkel, och att man använder sig av skillnaden i brytningsindex mellan de olika lägena.

Ett metamaterial har av naturliga skäl mer en en komponent. I det här fallet handlar det, förutom vätskekristallen, om en struktur med kiselväggar som bildar så kallade dielektriska resonatorer, där varje resonator är fylld med vätskekristall. När brytningsindex för vätskekristallen ändras betyder det att man ändrar egenskaperna för hela resonatorn. Om en laserstråle reflekteras mot en yta som består av ett stort antal sådana resonatorer så kommer effekten att bli att vissa delar av den inkommande strålen saktas ner innan de reflekteras, precis som vi beskrev ovan. Genom att justera det elektriska fältet som vätskekristallerna utsätts för i de olika resonatorerna kan man därför styra den reflekterade laserstrålen.

Om den här tekniken visar sig fungera bra i verkligheten kan det göra lidar till en mycket billigare, och därför mycket vanligare, sensor. Hur långt det tar oss när det gäller självkörande bilar återstår att se.

* Det här är hämtat från den internationella patentansökan WO2018156688A1, som har Lumotives CTO listad som uppfinnare, men jag kan naturligtvis inte vara säker på att det är exakt den tekniken de använder. 

Boken Factfulness och trenden med handböcker i tänkande

Boken Factfulness, skriven av Hans Rosling, Anna Rosling Rönnlund och Ola Rosling, är en intressant bok. Den är ett resultat av Hans Roslings decennier av arbete med internationell hälsa, utveckling och folkbildning och den innehåller naturligtvis lättfattliga illustrationer av levnadsstandarden i olika länder, faktafrågor om tillståndet i världen och anekdoter från Roslings händelserika liv. Tio av bokens kapitel avhandlar olika tankefällor, eller "instinkter", som ställer till det för oss när vi försöker begripa oss på den värld vi lever i, som "Gapinstinkten" och "Linjärinstinkten". Varje kapitel avslutas med knep för att känna igen instinkten när man träffar på den i verkligheten och tips på hur man kan tänka för att inte själv hamna i tankefällan. Det elfte kapitlet handlar om factfulness i praktiken, vad man kan göra inom utbildning, näringsliv och media för att främja en mer faktabaserad bild av världen.

Om man bara vill recensera Factfulness kan man egentligen stanna där, vid att det är en tankeväckande och underhållande bok som kan ge nya perspektiv på världen och hjälpa en att få en mer faktabaserad världsbild. Emellertid finns det ett sammanhang, eller en trend, som Roslings bok på sätt och vis är en del av och som jag funderat en del över på den senaste tiden. Jag syftar på trenden med artiklar och böcker som ska lära oss tänka bättre.

Jag kan inte göra anspråk på att ha läst alla texter av det här slaget, men några har jag hunnit med. Förutom Factfulness är det Åsa Wikforss Alternativa Fakta (som jag dessutom recenserat här), Emma Franz Larmrapporten och Mick Wests Escaping the Rabbit Hole, som handlar om konspirationsteorier ( och som jag också recenserat, dock inte på bloggen). De här böckerna handskas alla med våra mindre rationella kognitiva skevheter, tankefällor och instinkter, även om de närmar sig dem från olika perspektiv. Författarna vill hjälpa sina läsare till en världsbild som ligger närmre den observerbara verkligheten, oavsett om det handlar om att veta hur mycket fattigdom det finns i världen, att tolka medias larm eller att genomskåda konspirationsteorier. Böckerna blir därför en sorts handböcker för den som vill skärpa sin förmåga att skilja sant från falskt eller åtminstone rimligt från orimligt.

Det är kanske bäst att jag börjar med att påpeka att jag tycker de här böckerna är bra, jag kan rekommendera dem allihop. Min fundering gäller snarare om trenden kommer att få några effekter på samhället i stort. Det är trots allt inte första gången tankefällor av olika slag är uppe till diskussion i offentligheten, de har t.ex. en framträdande plats i David Kahnemans Thinking, fast and slow från 2011, men det verkar inte vara förrän nu som de riktigt tagit plats i det allmänna medvetandet. Delvis kan detta bero på själva mängden material. Det har kommit rätt många böcker inom loppet av bara några år, samt en strid ström av artiklar, krönikor och faktagransknings-satsningar (senast jag såg en artikel av den här typen var för bara några dagar sedan). Den ökade mängden material ger också trenden en större bredd, med böcker som angriper ämnet från olika perspektiv och antagligen når fler läsare.

En annan skillnad jämfört med tidigare diskussioner är att större vikt läggs vid hur samhället påverkas av t.ex. falska nyheter. Böckerna jag nämnde ovan uppmuntrar läsaren till att påverka sin omgivning. Samtliga innehåller ett eller flera kapitel som handlar om vad man som individ kan göra - för att bli mer "factful", utvärdera information bättre eller avslöja falska nyheter. Samtliga dessa kapitel innefattar tips om hur man diskuterar med meningsmotståndare på ett bra sätt och hur man kan bära sig åt för att ändra någons uppfattning (i Escaping the Rabbit Hole så är detta till och med huvudpoängen). Så vitt jag minns har det inte alls varit lika framträdande i tidigare diskussioner kring tankefel, där har det mest varit en fråga om hur man själv drar nytta av att lära sig tänka bättre. Att problemet med kognitiva skevheter delvis formulerats om till ett gemensamt problem ökar antagligen chanserna till varaktiga effekter, eftersom det gör det lättare att till exempel propagera för mer undervisning om kritiskt tänkande i skolorna eller andra typer av utbildningsinsatser.

Båda de här skillnaderna är delvis konsekvenser av hur den här trenden svarar mot det politiska läget i världen. Flera av de här böckerna (dock inte just Factfulness) och den absoluta majorieten tidningsartiklar och krönikor i ämnet har ganska uppenbart dykt upp just nu på grund av diskussionen kring falska nyheter, som i sin tur hänger ihop med Trump, Brexit och uppgifter om påverkansoperationer mot val och folkomröstningar. Till skillnad från tidigare tillfällen när kognitiva skevheter varit på agendan finns det nu ett tydligt bevis på att stora grupper väljer bort den verklighetsbild som ges t.ex. av etablerade medier till förmån för mindre väl underbyggda källor. Det bidrar till att dessa etablerade medier fått upp ögonen för problemet.

I denna situation finns det en risk att kunskapen om tankefällor och kognitiva skevheter bara blir verktyg för att förstå varför "de andra", som inte håller med en, tänker "fel", trots att det riktigt intressanta vore om folk började vända blicken mot sina egna tankeprocesser och bli mer medvetna om sina egna svagheter. Det hjälper inte direkt att kognitiva skevheter funkar så bra som slagträ i debatter - eftersom de finns hos praktiskt taget alla människor går det alltid att hitta något fel i motståndarens argument som man kan dra fram och triumferande drämma i bordet. Att däremot granska sina egna tankegångar är inte alls lika trevligt.

Det bör sägas att de fyra böcker jag refererar till här alla poängterar att vem som helst kan falla i tankefällor. I just Factfulness illustreras detta både av att författarna redovisar hur vitt skilda grupper konsekvent svarar sämre än slumpen på deras faktafrågor och genom att flera av anekdoterna handlar om hur Hans Rosling själv trillat i tankefällor vid olika tillfällen i sitt liv. Jag hoppas bara att just denna aspekt inte faller bort om de här böckerna faktiskt leder till en attitydförändring i samhället.

För att författarna till de här böckerna hoppas på förändring är tydligt. De hoppas att vi ska bli mer källkritiska, bättre på att analysera information vi får och mer välinformerade om tillståndet i världen. Vissa vill också att journalister och andra med stort medieutrymme ska ge mediekonsumenter bättre vägledning och information för att skilja ut alternativa fakta. Det vore väldigt bra om åtminstone en del av de här sakerna faktiskt besannades.

Ändå kan jag inte låta bli att fundera över grundinställningen att våra kognitiva skevheter är avvikelser som kan korrigeras, eller åtminstone dämpas, om vi bara får mer kunskap. Vi lever i ett samhälle som i stora delar förväntar sig att vi agerar hyfsat rationellt och kan stå emot när någon siktar in sig på våra tankemässiga svaga punkter - med riktade falska nyheter à la Cambridge Analytica eller med annan riktad reklam och propaganda. Det kan visa sig att det i många fall inte är en rimlig förväntan, och då vore det intressant om uppmärksamheten kring tankefällor ledde till en omvärdering av de delar av samhället som förutsätter att vi är mer rationella än vi faktiskt verkar vara.