Biomimetische Riechchips: Sind künstliche Intelligenz und E-Nasen der nächste Kanarienvogel im Kohlebergwerk?

Die Schwierigkeiten der künstlichen Geruchsbildung

Während die maschinelle Bildverarbeitung in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht hat, hinken andere künstliche Sinne hinterher. Einer davon ist der Geruchssinn.

Dies liegt daran, dass wir seit langem wissen, wie man als Reaktion auf Licht ein präzises elektrisches Signal erhält, was seit den ersten Digitalkameras in großem Umfang genutzt wird. Im Gegensatz dazu ist Geruch im Wesentlichen der Nachweis flüchtiger chemischer Substanzen.

Dies ist aus mehreren Gründen viel schwieriger:

• Geruchsstoffe sind selten „rein“. Stattdessen liegen sie in komplexen Mischungen vor, die ihren Nachweis erschweren können.
• Die Nachweisschwelle, die erforderlich ist, um dem menschlichen oder tierischen Geruchssinn zu entsprechen, ist sehr niedrig, wobei Konzentrationen im Allgemeinen im ppm-Bereich (part per million oder 0.0001 %) nachgewiesen werden.
• Miniaturisierung ist für die meisten Anwendungen unerlässlich und erfordert sowohl fortschrittliche Chips als auch einen geringen Stromverbrauch.
• Jeder auf einer chemischen Reaktion basierende Nachweis erfordert einen regelmäßigen Austausch der im Sensor verwendeten Katalysatoren oder Chemikalien.

Aus all diesen Gründen sind die meisten chemischen/olfaktorischen digitalen Nachweise derzeit auf einige wenige chemische Verbindungen beschränkt. Und im Allgemeinen nur in industriellen Umgebungen verwendet, in denen die zu erkennenden gefährlichen Chemikalien voraussichtlich aus Unfällen oder Lecks stammen, z. B. Kohlenmonoxid, Ozon, Chlor usw.

Dies könnte sich dank der Entwicklung biomimetischer Geruchschips durch Forscher im Team von Prof. Fan Zhiyong, Lehrstuhlinhaber an der Hong Kong University of Science and Technology (HKUST), ändern.

Quelle: HK

Biomimetische Geruchschips

Wie funktioniert Geruch?

Der Geruchssinn funktioniert bei Tieren und Menschen über eine Reihe „chemischer Detektoren“, sogenannte Geruchsrezeptoren, die mit hoher Empfindlichkeit ein breites Spektrum flüchtiger Chemikalien erkennen können.

Die Anzahl der Gene, die für solche Geruchsrezeptoren kodieren, kann je nach Art und Bedeutung des Geruchssinns zwischen 300 und 1,200 variieren.

Anstatt also einen Rezeptor für jedes mögliche chemische Molekül zu haben, wird jede Verbindung einen einzigartigen „Fußabdruck“ haben, der entsteht, wenn jeder dieser Rezeptoren etwas anders aktiviert wird. Die Riechkolben setzen dieses komplexe Signal dann zu einem Nervensignal zusammen und interpretieren es von einem Teil des Gehirns, dem Riechkomplex.

Aufbau eines Riechchips

HKUST-Forscher haben eine Möglichkeit geschaffen, dieses System zu replizieren und dabei die Einschränkungen zu umgehen, die mit dem Aufbau eines miniaturisierten Rezeptors für jede mögliche chemische Verbindung verbunden sind.

Sie montierten Nanoröhren-Sensorarrays auf einem nanoporösen Substrat und erreichten so bis zu 10,000 einzeln adressierbare Gassensoren pro Chip.

Diese Daten werden dann von einem neuronalen Netzwerkalgorithmus verarbeitet, um in eine „Wahrnehmung“ eines bestimmten chemischen digitalen Geruchs übersetzt zu werden.

Quelle: HK

Potenzial von Olfaktorischen Chips

Dieses Design verleiht den Geruchschips die Möglichkeit, gleichzeitig das Vorhandensein und die Konzentration von einem Dutzend oder mehr Chemikalien gleichzeitig zu erkennen.

Zu Demonstrationszwecken entwickelte das Team einen biomimetischen Geruchschip, der eine außergewöhnliche Empfindlichkeit gegenüber verschiedenen Gasen zeigte und eine hervorragende Unterscheidbarkeit für gemischte Gase und 24 verschiedene Gerüche aufweist.

Anschließend integrierten sie sowohl den Geruchschip als auch die Sehsensoren in einen Roboterhund und schufen so ein kombiniertes Geruchs- und Sehsystem, das Objekte in Blindboxen genau identifizieren kann, ähnlich wie ein „echter Hund“.

Quelle: HK

Anwendungen von Olfaktorischen Chips

Sicherheit

Die unmittelbarste Anwendung von Riechchips findet dort statt, wo derzeit die meisten chemischen Detektoren eingesetzt werden: Sicherheitsanwendungen. Dazu gehören Fabriken, Wasseraufbereitungsanlagen, petrochemische Industrien, Rohrleckerkennung und Umweltüberwachung (Luftverschmutzung usw.).

Diese neuen Detektortypen könnten mehr Chemikalien auf einmal erkennen als frühere Technologien, was einen größeren Datenstrom und eine bessere Sicherheitsbewertung ermöglicht.

Verteidigung & Sicherheit

Wie der Robodog-Prototyp zeigt, könnte ein solches Erkennungssystem zur Erkennung ansonsten unsichtbarer Bedrohungen eingesetzt werden. Vom Drogenschmuggel bis zum Aufspüren von Sprengstoffen könnte dank der Verschmelzung von KI, autonomer Robotik und Riechchips jede Aktivität, bei der Spürhunde eingesetzt werden, systematisiert werden.

Such- und Rettungsdienste könnten auch von Riechchips profitieren, um nach einer Naturkatastrophe Überlebende unter zerstörten Gebäuden zu finden.

Essen & Landwirtschaft

Ein Grund dafür, dass die meisten Tiere einen ausgeprägten Geruchssinn haben, besteht darin, zu erkennen, ob ein Futter essbar oder verdorben ist. Wir können uns vorstellen, dass sehr empfindliche Geruchschips, die auf Lebensmittelprodukte spezialisiert sind, für die Lebensmittelindustrie von großem Nutzen sein könnten.

In ähnlicher Weise könnten landwirtschaftliche Drohnen auch eingesetzt werden, um die Reifung von Früchten, das Vorhandensein von Pilzkrankheiten, Insektenpheromonen usw. zu riechen.

Erkennung von Krebs und Krankheiten

Es ist schon seit längerem bekannt, dass manche Krankheiten mit der Freisetzung spezifischer Gerüche einhergehen. Anekdotische Daten von Katzen oder Hunden, die Krebs erkennen können, wurden durch den Einsatz künstlicher Sensoren inzwischen mehr als nur urbane Mythen bewiesen.

Insbesondere wurden mit diesen Methoden mehrere Krebsarten erkannt. Mit der „elektronischen Nase“ ist dies mit einer Genauigkeit von 95 % möglich.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das von Penn entwickelte Tool – das künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen nutzt, um die Mischung flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs) zu entschlüsseln, die von Zellen in Blutplasmaproben abgegeben werden – als nicht-invasiver Ansatz zum Screening auf schwerer zu erkennende Substanzen dienen könnte -Erkennen Sie Krebsarten wie Bauchspeicheldrüsen- und Eierstockkrebs.

Penn Medizin Nachrichten

Wir sehen auch Unternehmen wie BrainChip, die die digitale Geruchserkennung nutzen, um Bakterien in Blutproben zu erkennen.

Es ist wahrscheinlich, dass je empfindlicher die Riechchips werden und Dutzende oder Hunderte von Verbindungen gleichzeitig erkennen können, desto mehr könnten solche Entdeckungen nicht nur für die Diagnose von Krebs, sondern auch für viele andere Krankheiten, insbesondere Stoffwechselerkrankungen, genutzt werden.

Im Gegensatz zur aktuellen Version könnte dies möglicherweise nur über den Geruch unserer Haut oder unseres Atems erreicht werden, ohne dass eine Blutprobe erforderlich wäre.

Smartphones und Elektronik

Als rein siliziumbasiertes System könnten Riechchips in unsere allgegenwärtigen kleinen elektronischen Werkzeuge wie das Smartphone integriert werden.

Es könnte nützlich sein, Bedrohungen wie Kohlenmonoxid-, Rauch- oder Gaslecks ständig zu überwachen und automatisch zu erkennen oder die Sicherheit von Lebensmitteln zu beurteilen.

Wir könnten uns auch trivialere, aber dennoch potenziell nützliche und beliebte Anwendungen vorstellen, wie z. B. das Helfen beim Kochen, das Erkennen von Gewürzen usw.

Längerfristig könnte es in Verbindung mit einem „Geruchsgenerator“ sogar die digitale Übertragung von (vorzugsweise guten) Gerüchen zwischen Telefonen ermöglichen.

Neue Sinne gewinnen

Eine weitere, in der Zukunft noch weiter entfernte, aber nicht unmögliche Anwendung wäre die Integration solcher Riechchips in den menschlichen Körper.

Insbesondere angesichts der schnellen Fortschritte bei Mensch-Maschine-Schnittstellen, wie beispielsweise Elon Musks Neuralink.

Wir könnten uns leicht vorstellen, dass ein solcher Sensor in unseren Körper integriert wird und uns vor schädlichen Chemikalien in Mengen warnt, die unter dem biologisch Möglichen liegen. Oder bei Chemikalien, die wir auf natürliche Weise überhaupt nicht erkennen können.

„Mit der Entwicklung geeigneter biokompatibler Materialien hoffen wir, dass der biomimetische Geruchschip in Zukunft auch am menschlichen Körper angebracht werden kann, um uns das Riechen von Gerüchen zu ermöglichen, die normalerweise nicht gerochen werden können.“

Es kann auch die Anomalien flüchtiger organischer Moleküle in unserem Atem überwachen und von unserer Haut abgegeben werden, um uns vor möglichen Krankheiten zu warnen und so ein weiteres Potenzial der biomimetischen Technik auszuschöpfen.“

Prof. Fan Zhiyong

Hersteller von Riechchips

Das Potenzial von Riechchips dürfte in den ersten Jahren auf „ernsthafte“ Anwendungen mit klaren Anwendungsfällen beschränkt sein, von der Krankheitsdiagnose bis zur Bedrohungserkennung. Diese Anwendungen sind also höchstwahrscheinlich die Orte, an denen wir Unternehmen finden können, die von dieser Innovation profitieren könnten.

(Diese Liste umfasste keine Chipunternehmen mit großem Potenzial für Geruchschips und Sensoren, deren größter Teil ihrer Einnahmen jedoch höchstwahrscheinlich weiterhin von „klassischen“ Computerchips wie z. B. generiert wird Intels neuromorpher Chip or SyNAPSE von IBM – Skalierbarer, energieeffizienter neurosynaptischer Rechenchip).

1. BrainChips Holdings (BRN.AX)

Dieses Unternehmen für künstliche Intelligenz ist auf die Entwicklung von Chips spezialisiert, die das menschliche Gehirn mithilfe von Neural Network Layer Engines (NPEs) nachahmen.

Es behauptet, das erste Unternehmen zu sein, das die neuromorphe Technologie kommerzialisiert hat. Dank On-Chip-Lernen, Standard-ML-Workflow und On-Chip-Faltung sieht es sich auch ernsthaften Konkurrenten wie IBM- und Intel-Chips voraus.

Der Schwerpunkt liegt auf Seh-, Audio-, Geruchs- und intelligenten Wandleranwendungen.

Quelle: BrainChip

Damit ist das Unternehmen ein sehr guter Kandidat, um von den Fortschritten bei Riechchips zu profitieren. Es könnte die Entdeckung des HKUST direkt lizenzieren, versuchen, sie zu replizieren, oder dafür sorgen, dass seine eigenen Chips zu einem Schlüsselbestandteil der Hardware werden, die für die Interpretation der Daten des Nanoröhren-Sensor-Arrays erforderlich ist.

Das Unternehmen sieht einen riesigen potenziellen Markt für seine Produkte, einschließlich Bildverarbeitungs- und Geruchskapazitäten.

Quelle: GehirnChip

BrainChip verfügt über ein margenstarkes IP-Geschäftsmodell, bei dem das Unternehmen seine Technologie gegen eine Vorabgebühr und Lizenzgebühren lizenziert und dann mit Systemintegratoren zusammenarbeitet, um das Endprodukt zu entwickeln.

2. Honeywell

Honeywell ist ein führendes Unternehmen im Bereich Detektion und Sensoren mit einer starken oder dominanten Präsenz in Branchen wie Gebäudeautomation, Luft- und Raumfahrt und Sicherheit (viele seiner Luft- und Raumfahrt- und Bauaktivitäten sind mit Sensortechnologien verbunden).

Als anerkannter Marktführer im Bereich Sensoren und Überwachung könnte das Unternehmen in einer erstklassigen Position sein, den Einsatzbereich von Gasdetektoren zu kommerzialisieren und von ihrem derzeit begrenzten (aber bereits lukrativen) Zustand zu einem allgegenwärtigen Werkzeug zu erweitern.

Quelle: Honeywell

Honeywell steht auch bei anderen technologischen Innovationen an der Spitze, insbesondere Quantencomputing durch seinen Besitz von 54 % von Quantunuum und ein Geschäftsbereich, den wir in unserem Artikel „Der aktuelle Stand des Quantencomputings".

Es ist auch im Flüssigmetalldruck tätig, etwas, das wir in „Der Flüssigmetalldruck könnte zu einer „produktiven Kraft in der Fertigungs- und Designlandschaft“ werden".

Honeywell ist bereits ein großes Unternehmen im Sensor- und Automatisierungssektor mit ehrgeizigen Zielen in einer Vielzahl innovativer Technologien.

Auch wenn biomimetische Geruchschips kurzfristig ein Wettbewerber sein könnten, ist es wahrscheinlich, dass das Unternehmen in der Lage sein wird, sich anzupassen und vom Wachstum des Marktes für Geruchssensoren zu profitieren, entweder durch eigene Forschung und Entwicklung oder durch Übernahmen kleinerer Unternehmen.