超材料的商业化,Lumotive的专利壁垒优势

据报道，获比尔盖茨投资的美国西雅图激光雷达（LiDAR）创业公司Lumotive，近日公布了一种基于超材料的LiDAR光束操纵技术，这是一种非比寻常的创新技术方案，其它竞争对手鲜有应用。

在众多用于先进驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶汽车（AV）的传感器中，火热的LiDAR仍然是各种创新技术的摇篮。不过，欣欣向荣的另一面也反应LiDAR市场仍处于萌芽状态，百家争鸣的同时难言哪种技术方案能够真正获得成功。根据著名市场研究机构Yole发布的《汽车和工业应用的LiDAR-2018版》报告，近几年来，全球已涌现出60到70家LiDAR创业公司，吸引了超过8亿美元投资。

激光雷达（LiDAR）产业领域的主要投融资事件

数据来源：《汽车和工业应用的LiDAR-2018版》

Lumotive刚刚进入这个竞争激烈的创新领域，希望利用其超材料技术，超越那些更为成熟的竞争对手。Lumotive专利保护的创新技术方案被称为“液晶超表面”（Liquid crystal metasurfaces, LCM）技术。

Lumotive联合创始人兼首席执行官Bill Colleran称超材料是一种“关键技术”，为Lumotive开发真正全固态LiDAR打开了新大门。基于超材料的光弯曲特性，Lumotive液晶超表面芯片可以不依赖传统机械LiDAR中的旋转部件，而操纵激光束的偏转。

当然，Lumotive并不是第一个提出非机械扫描的LiDAR厂商。众多采用MEMS反射镜或光学相控阵的竞争对手已经宣称，它们的LiDAR不包含或使用很少的机械运动部件。

不过，Colleran强调，Lumotive的差异化优势在于液晶超表面半导体芯片具有更大的光学孔径（25 x 25 mm）。这使其LiDAR可以获得更大的探测范围。据Lumotive称，120度视场结合快速随机接入波束控制技术，确保了LiDAR系统的高性能。

上图显示将激光照射到Lumotive的液晶超表面（LCM）芯片，通过芯片上的电信号编程，可以将反射光引导到120度视场内的任何方向

产品上市计划

对于产品发布计划，Lumotive首席执行官Colleran表示，样品将在今年第三季度上市，车规级产品可能还需要两年多的时间。不过，Colleran对于“迟到”的车规级产品表示很淡定，因为他们LiDAR的市场机遇可以拓展至汽车应用以外的领域，包括工业、机器人和无人机等。

Lumotive预计其LiDAR还可以进入售后市场（不需要车规级认证）。Lumotive似乎看起来有很长远的规划，期望以更低的成本进入大规模量产汽车市场，不过，Colleran认为这仍然需要数年时间。

根据Yole的研究报告，投资有些过热的LiDAR市场未来将分“阶段”发展。第一波浪潮源自竞争激烈的传统机械LiDAR；从今年开始的第二波浪潮是采用MEMS技术的LiDAR，将比上一代LiDAR更小、更便宜；光学相控阵LiDAR、闪光（Flash）LiDAR以及Lumotive的液晶超表面LiDAR等完全不同的技术方案将代表未来的第三波浪潮。

超材料

Lumotive和超材料技术密不可分。

用于光束操纵的液晶超表面芯片

超材料被定义为一种“人工结构材料”。超材料的优势是可以对其特性或相关器件进行前所未有的控制。超材料不是一种特定的物质，而是一种“设计方法”，是可以实现光束操纵及其它电磁波激发的新方法。

Lumotive公司顾问、美国杜克大学（Duke University）物理学教授、超材料研究领域的先驱David Smith解释说，超材料商业应用的一个很好的例子是Kymeta公司的平板天线技术。Kymeta公司已经将一种新的基于超材料的卫星天线成功商业化。David Smith同时也是Kymeta公司的高级顾问。

Kymeta公司利用了超材料的“特殊架构”，其天线可以在无需移相器、相关放大器或其他组件的情况下，在其表面的每个点进行电子调向。David Smith表示，过多的移相器和放大器需要成本、功耗以及冷却装置。

通过应用超材料设计原理，与相控阵相比，Kymeta能够显著提高其平板天线中天线元件的密度。可以简单地通过激活或停用天线元件，控制其相位和振幅。

应用于Kymeta天线的超材料架构可以适用于Lumotive的LiDAR。David Smith解释说，不同之处在于，超表面概念之前应用于微波频率，但是，Lumotive是第一次为光学应用开发的动态超材料。

Lumotive利用人工结构化表面来控制电磁波是独一无二的。“但是，将超材料应用到光学领域涉及一系列问题，”David Smith说，“首先，光学方面的竞争更加艰难，因为光学相控阵LiDAR的开发早已经开始了。但基于相控阵的LiDAR也有自己的挑战，包括它们的密度和热力学问题，这为我们的超材料技术带来了机遇。”

超材料的商业化，Lumotive的专利壁垒优势

发现超材料是一回事，能否将其成功商业化完全是另外一回事。

David Smith以其在电磁超材料方面的理论和实验研究而闻名，他一直是揭示超材料潜力的先驱。他与著名的发明科学基金（ISF）合作密切，ISF是高智（Intellectual Ventures）的投资基金。Intellectual Ventures则是由微软的Nathan Myhrvold和Edward Jung于2000年创立的知识产权风险投资公司，是美国专利的五大所有人之一（也是一家著名的“专利流氓”）。

虽然其他人也在努力将超材料技术商业化，但David Smith称，由于Intellectual Ventures拥有世界领先的超材料专利组合，且ISF拥有自己的创业孵化器ISF Incubator，因此，Lumotive最有可能将这项技术商业化，并且也确实取得了实质进展。

Lumotive始于ISF孵化器，拥有这种LiDAR特定应用的超材料架构的“独家许可”。和已经成功商业化的Kymeta公司一样，Lumotive也已经从Intellectual Ventures独立出来运营。

代工制造

液晶超表面芯片使用基于超材料原理的可调谐亚波长元件来控制激光。因为它采用半导体制造工艺，Lumotive有信心使其基于液晶超表面芯片的LiDAR“更可靠、更具成本效益并且可以批量生产”。

目前，Keymeta选择了夏普（Sharp）作为其代工厂，那么Lumotive如何解决其芯片制造问题？

Colleran称：“在过去一年半的时间里，我们已经找了几家知名的代工厂。”虽然他表示公司计划将专注于一家代工厂，但目前拒绝透露这家代工合作伙伴。

多方面的竞争

如今，主流的LiDAR主要基于机械旋转组件。Waymo也在近期宣布，它将开始向不与Waymo自动驾驶计划竞争的公司出售其Laser Bear Honeycomb激光雷达。

Waymo在宣布该消息时称，它正在向自动驾驶以外的供应商提供这些传感器，例如机器人、安防和农业技术等。Waymo的Laser Bear Honeycomb比在自动驾驶汽车车顶上旋转的现代LiDAR小得多，但它们的基本技术仍然是机械旋转式的。

福特汽车投资10亿美元的自动驾驶创业公司Argo AI也有自己的LiDAR，由位于美国新泽西的Princeton Lightwave开发（2017年被Argo AI收购）。Princeton Lightwave是一家Flash LiDAR开发商，采用了盖革模式LiDAR（Geiger-mode LiDAR）技术，能够实时数字化探测并处理光子。

这些自动驾驶领先开发商都已经拥有了自己的LiDAR技术。那么，像Lumotive这样的创业公司如何打入市场呢？

Colleran表示：“首先，这是个好消息。因为它暗示了行业需求还远未满足，促使这些领先厂商开发自己的LiDAR。当然，坏消息是这些自动驾驶领先厂商无法成为Lumotive的潜在客户了。”

从Yole的分析报告来看，对于众多LiDAR创业公司来说，它们的首要任务是与Tier 1建立密切的合作伙伴关系，成为供应链的一部分。

Lumotive暂未透露其种子轮融资的资金规模，并表示将在今年晚些时候寻求第一轮融资。

关于Lumotive

Lumotive成立于2018年，由微软创始人比尔盖茨投资，是一家总部位于西雅图的创业公司，专注于为自动驾驶汽车开发高性能LiDAR系统。该公司的LiDAR解决方案基于其液晶超表面（Liquid Crystal Metasurfaces）专利的革命性光束操纵技术，提供了前所未有的高性能组合（探测范围、分辨率及帧速率），并已经为大规模应用做好了准备（成本、可靠性及尺寸）。