Biomimetiske lugtesensor‑chips: Er Kunstig Intelligens og E‑Noses den Næste Kanariefugl i en Kulmine?

Vanskelighederne ved kunstig lugtesans

Mens maskinsyn har gjort enorme fremskridt i de sidste par år, har andre kunstige sanser halvt så meget. En af dem er lugtesansen eller ‘duft’.

Dette skyldes, at vi i lang tid har vidst, hvordan man får et præcist elektrisk signal som svar på lys, noget der er blevet brugt i stor skala siden de første digitale kameraer. I kontrast er lugt i bund og grund detektion af flygtige kemiske stoffer.

Dette er meget sværere af flere grunde:

• Lugtstoffer er sjældent “rene”. De forekommer i stedet i komplekse blandinger, som kan komplicere deres detektion.
• Detektionsgrænsen, der kræves for at matche den menneskelige eller dyre lugtesans, er meget lav, typisk i ppm-området (del per million, eller 0,0001%).
• Miniaturisering er afgørende for de fleste anvendelser og kræver både avancerede chips og lavt strømforbrug.
• Enhver detektion baseret på en kemisk reaktion vil kræve regelmæssig udskiftning af katalysatorer eller kemikalier, der anvendes i sensoren.

Af alle disse grunde er den fleste kemiske / lugte‑digitale detektion i øjeblikket begrænset til nogle få kemiske forbindelser. Og den anvendes generelt kun i industrielle miljøer, hvor de farlige kemikalier, der skal detekteres, forventes at komme fra ulykker eller lækager, f.eks. kulilte, ozon, klor osv.

Dette kan ændre sig takket være udviklingen af biomimetiske lugtesensor‑chips af forskere på holdet ledet af Prof. Fan Zhiyong, Chair Professor ved Hong Kong University of Science and Technology (HKUST).

Kilde: HKUST

Biomimetiske lugtesensor‑chips

Hvordan fungerer lugtesansen?

Den måde, lugtesansen fungerer på hos dyr & mennesker, er gennem et array af “kemiske detektorer” kaldet lugtreceptorer, som kan opdage med høj følsomhed et bredt spektrum af flygtige kemikalier.

Antallet af gener, der koder for sådanne lugtreceptorer, kan variere fra 300 til 1.200 afhængigt af arten og hvor vigtig lugtesansen er for den.

Så i stedet for at have én receptor for hver mulig kemisk molekyle, får hver forbindelse et unikt “aftryk”, der dannes når hver af disse receptorer aktiveres lidt forskelligt. Lugteknuderne samler derefter dette komplekse signal til et nerveimpuls og fortolker det i en del af hjernen kaldet det olfaktoriske kompleks.

Bygning af lugtesensor‑chips

HKUST‑forskerne har udviklet en metode til at efterligne dette system, som omgår begrænsningerne ved at bygge en miniaturiseret receptor for hver mulig kemisk forbindelse.

De samlede nanotubus‑sensor‑arrays på et nanoporøst substrat og nåede op til 10.000 individuelt adresserbare gassensorer pr. chip.

Disse data behandles derefter af en neuralt netværks‑algoritme, som oversætter dem til en “opfattelse” af en specifik digital lugt.

Kilde: HKUST

Potentiale for lugtesensor‑chips

Dette design giver lugtesensor‑chips potentialet til samtidigt at detektere både tilstedeværelsen og koncentrationen af et dusin eller flere kemikalier på én gang.

Som en demonstration skabte holdet en biomimetisk lugtesensor‑chip, der viste enestående følsomhed over for forskellige gasser samt fremragende evne til at skelne mellem blandede gasser og 24 forskellige lugte.

De integrerede derefter både lugtesensor‑chippen og visionssensorer på en robothund, hvilket skabte et kombineret lugte‑ og synssystem, der kan identificere objekter i blinde bokse præcist, næsten som en “rigtig hund”.

Kilde: HKUST

Anvendelser af lugtesensor‑chips

Sikkerhed

Den mest umiddelbare anvendelse af lugtesensor‑chips er, hvor de fleste kemiske detektorer i øjeblikket anvendes: sikkerheds‑applikationer. Dette omfatter fabrikker, vandbehandlingsanlæg, petrokemisk industri, lækagedetektion i rør og miljøovervågning (luftforurening osv.).

Disse nye typer af detektorer kunne detektere flere kemikalier på én gang end tidligere teknologier, hvilket muliggør en større datastrøm og bedre sikkerhedsvurdering.

Forsvar & sikkerhed

Som demonstreret af robothund‑prototypen, kan et sådant detektionssystem bruges til at opdage ellers usynlige trusler. Fra narkotikasmugling til detektion af sprængstoffer – enhver aktivitet, hvor sporhundene anvendes, kunne systematiseres takket være sammensmeltningen af AI, autonome robotter og lugtesensor‑chips.

Søge‑ og redningsarbejde kunne også drage fordel af lugtesensor‑chips til at finde overlevende under ødelagte bygninger efter en naturkatastrofe.

Fødevarer & landbrug

En grund til, at de fleste dyr har en udviklet lugtesans, er at kunne opdage om mad er spiseligt eller fordærvet. Vi kan forestille os, at meget følsomme lugtesensor‑chips specialiseret i fødevarer kunne være yderst nyttige for fødevareindustrien.

Tilsvarende kunne landbrugs‑droner også bruges til at lugte frugternes modning, tilstedeværelsen af svampeinfektioner i afgrøder, insektferomoner osv.

Kræft- og sygdomsdetektion

Det har i et stykke tid været kendt, at visse sygdomme er forbundet med udsendelse af specifikke lugte. Anekdotiske data om katte eller hunde, der kan opdage kræft, er nu blevet bevist som mere end blot bymyter gennem brug af kunstige sensorer.

Især er flere kræftformer begyndt at blive detekteret gennem disse metoder, med den “elektroniske næse”, der kan gøre det med 95 % nøjagtighed.

Resultaterne tyder på, at det af Penn udviklede værktøj — som bruger kunstig intelligens og maskinlæring til at afkode blandingen af flygtige organiske forbindelser (VOC’er), der udsendes fra celler i blodplasma‑prøver — kunne fungere som en ikke‑invasiv tilgang til at screene for sværere at opdage kræftformer, såsom bugspytkirtel- og æggestokkræft.

Penn Medicine News

Vi ser også virksomheder som BrainChip (BRN.AX ) anvende digital lugtedetektion til at opdage bakterier i blodprøver.

Det er sandsynligt, at jo mere følsomme lugtesensor‑chips bliver og kan detektere dusinvis eller hundredevis af forbindelser på én gang, jo mere kan sådanne opdagelser anvendes til diagnostik, ikke kun af kræft men af mange andre sygdomme, især metaboliske sygdomme.

I modsætning til den nuværende version kunne dette måske opnås kun ud fra lugten af vores hud eller ånde, uden at der overhovedet er behov for en blodprøve.

Smartphones & elektronik

Som et rent silicium‑baseret system kan lugtesensor‑chips integreres i vores allestedsnærværende små elektroniske værktøjer som smartphonen.

Det kunne være nyttigt at konstant overvåge og automatisk opdage trusler som kulilte, røg eller gaslækager samt vurdere fødevaresikkerhed.

Vi kan også forestille os mere trivielle, men alligevel potentielt nyttige og populære anvendelser, såsom hjælp under madlavning, genkendelse af krydderier osv.

På længere sigt, hvis det kombineres med en “lugt‑generator”, kunne det endda muliggøre digital overførsel af (helst gode) lugte mellem telefoner.

Opnå nye sanser

En anden, mere fjern i fremtiden, men ikke umulig anvendelse, ville være at integrere sådan en lugtesensor‑chip i den menneskelige krop.

Især i betragtning af den hurtige udvikling af menneske‑maskine‑grænseflader, som for eksempel Elon Musks Neuralink.

Vi kan let forestille os, at en sådan sensor integreres i vores kroppe og giver os advarsler om skadelige kemikalier på niveauer under, hvad der er biologisk muligt. Eller for kemikalier, vi fuldstændigt ikke kan opdage naturligt.

“I fremtiden, med udviklingen af egnede biokompatible materialer, håber vi, at den biomimetiske lugtesensor‑chip også kan placeres på den menneskelige krop for at gøre os i stand til at lugte lugte, der normalt ikke kan lugtes.

Den kan også overvåge abnormiteter i flygtige organiske molekyler i vores ånde og som udsendes fra vores hud, for at advare os om potentielle sygdomme, og udvide potentialet for biomimetisk ingeniørkunst,”

Prof. Fan Zhiyong

Virksomheder inden for lugtesensor‑chips

Potentialet for lugtesensor‑chips vil sandsynligvis i de første år være begrænset til “seriøse” anvendelser med klare brugsscenarier, fra sygdomsdiagnostik til trusselsdetektion. Så disse anvendelser er mest sandsynligt, hvor vi kan finde virksomheder, der kan drage fordel af denne innovation.

(denne liste inkluderer ikke chip‑virksomheder med stort potentiale inden for lugtesensor‑chips og sensorer, men hvis største del af indtægterne sandsynligvis vil forblive drevet af “klassiske” computerchips, som for eksempel Intel’s neuromorphic chip (INTC ) eller IBM’s SyNAPSE – Scalable energy-efficient neuro synaptic computing chip).

1. BrainChips Holdings (BRN.AX)

Dette kunstige intelligens‑firma specialiserer sig i at skabe chips, der efterligner den menneskelige hjerne gennem Neural Network Layer Engines (NPEs).

Det hævder at være den første til at kommercialisere neuromorfisk teknologi. Det ser sig også som foran seriøse konkurrenter som IBM‑ og Intel‑chips takket være on‑chip‑læring, standard ML‑arbejdsgange & on‑chip‑konvolution.

Det fokuserer på vision, lyd, lugtesans og smarte transducer‑applikationer.

Kilde: BrainChip

Dette gør virksomheden til en meget god kandidat til at drage fordel af fremskridt inden for lugtesensor‑chips. Den kunne direkte licensere HKUST’s opdagelse, forsøge at reproducere den, eller se sine egne chips blive en nøglekomponent i den hardware, der kræves for at fortolke nanotubus‑sensor‑array‑dataene.

Virksomheden ser et enormt potentielt marked for sine produkter, herunder maskinsyn og lugtesanskapaciteter.

Kilde: BrainChip

BrainChip har en højmargin‑IP‑forretningsmodel, hvor den licenserer sin teknologi for et forskudsgebyr og royalty‑strømme, og derefter samarbejder med systemintegratorer om at skabe det endelige produkt.

2. Honeywell

Honeywell er en leder inden for detektion & sensorer, med en stærk eller dominerende tilstedeværelse i industrier som bygningsautomatisering, luftfart og sikkerhed (mange af deres luftfarts‑ og bygningsaktiviteter er knyttet til sensor‑teknologier).

Som en anerkendt leder inden for sensorer & overvågning kunne den være i en fremragende position til at kommercialisere og udvide omfanget af gassensorer fra sin nuværende begrænsede (men allerede indbringende) tilstand til et allestedsnærværende værktøj.

Kilde: Honeywell

Honeywell er også i frontlinjen af andre teknologiske innovationer, især kvantecomputing gennem sit ejerskab af 54 % af Quantinuum og en forretningssektor, vi diskuterede i vores artikel “The Current State of Quantum Computing ”.

Den er også aktiv inden for Liquid Metal Printing, noget vi diskuterede i “Liquid Metal Printing May Become a ‘Productive Force in the Landscape of Manufacturing and Design”.

Honeywell er allerede en massiv virksomhed inden for sensor‑ og automatiseringssektoren med ambitiøse mål inden for en bred vifte af innovative teknologier.

Så selvom biomimetiske lugtesensor‑chips kan være en konkurrent på kort sigt, er det sandsynligt, at den vil kunne tilpasse sig og drage fordel af væksten i markedet for lugtesensorer, enten gennem egen F&U eller gennem opkøb af mindre virksomheder.