Biomimetische olfaktorische Chips: Sind Künstliche Intelligenz und E‑Nasen der nächste Kanarienvogel im Kohlenbergwerk?

Die Schwierigkeiten der künstlichen Geruchswahrnehmung

While machine vision has made tremendous progress in the last few years, other artificial senses have lagged behind. One of them is the sense of olfaction or ‘smell’.

Das liegt daran, dass wir schon lange wissen, wie man ein präzises elektrisches Signal als Reaktion auf Licht erzeugt, etwas, das seit den ersten Digitalkameras in großem Maßstab eingesetzt wird. Im Gegensatz dazu ist Geruch im Wesentlichen die Erkennung flüchtiger chemischer Substanzen.

This is a lot more difficult for a few reasons:

• Geruchsstoffe sind selten “rein”. Sie liegen stattdessen in komplexen Mischungen vor, die ihre Erkennung erschweren.
• Die für einen mit dem menschlichen oder tierischen Geruchssinn vergleichbare Detektionsschwelle ist sehr niedrig und erfasst Konzentrationen meist im ppm‑Bereich (Teile pro Million, also 0,0001 %).
• Die Miniaturisierung ist für die meisten Anwendungen unerlässlich und erfordert sowohl fortschrittliche Chips als auch einen niedrigen Stromverbrauch.
• Jede auf einer chemischen Reaktion basierende Detektion erfordert regelmäßige Änderungen der im Sensor verwendeten Katalysatoren oder Chemikalien.

For all these reasons, most chemical / olfactory digital detection is currently limited to a few chemical compounds. And generally only used in an industrial setting where the dangerous chemicals to be detected are expected to come from accidents or leaks, for example, carbon monoxide, ozone, chlorine, etc.

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

Quelle: HKUST

Biomimetische olfaktorische Chips

Wie funktioniert Geruch?

The way the sense of smell works in animals & humans is through an array of “chemical detectors” called olfactory receptors, able to detect with high sensitivity a wide range of volatile chemicals.

The number of genes coding for such olfactory receptors can vary from 300 to 1,200 depending on the species and how important the sense of smell is for it.

So, instead of having one receptor for every possible chemical molecule, every compound will have a unique “footprint” produced when activating each of these receptors slightly differently. The olfactory bulbs then assemble this complex signal into a nerve signal and interpret it by a part of the brain called the olfactory complex.

Herstellung olfaktorischer Chips

HKUST researchers have created a way to replicate this system, bypassing the constraints of building a miniaturized receptor for each possible chemical compound.

They assembled nanotube sensor arrays on a nanoporous substrate, reaching up to 10,000 individually addressable gas sensors per chip.

This data is then processed by a neural network algorithm to be translated into a “perception” of a specific chemical digital smell.

Quelle: HKUST

Potenzial olfaktorischer Chips

This design gives the olfactory chips the potential to simultaneously detect both the presence and concentration of a dozen or more chemicals at once.

Als Demonstration entwickelte das Team einen biomimetischen olfaktorischen Chip, der eine außergewöhnliche Empfindlichkeit gegenüber verschiedenen Gasen zeigte und eine hervorragende Unterscheidbarkeit für Mischgase sowie 24 unterschiedliche Gerüche aufwies.

Anschließend integrierten sie sowohl den olfaktorischen Chip als auch Bildsensoren in einen Roboterhund und schufen ein kombiniertes Geruchs‑ und Visionssystem, das Objekte in undurchsichtigen Behältern präzise identifizieren kann, fast wie ein „echter Hund“.

Quelle: HKUST

Anwendungen olfaktorischer Chips

Sicherheit

The most immediate application of olfactory chips is where most chemical detectors are currently used: safety applications. This includes factories, water treatment stations, petrochemical industries, pipe leak detection, and environmental monitoring (air pollution, etc.).

These new types of detectors could detect more chemicals at once than previous technologies, allowing for a larger data stream and better assessment of safety.

Verteidigung & Sicherheit

As demonstrated by the robodog prototype, such a detection system could be used to detect otherwise invisible threats. From drug smuggling to detection of explosives, every activity where sniffer dogs are used could be systematized, thanks to the merger of AI, autonomous robotics, and olfactory chips.

Search and rescue could also benefit from olfactory chips to find survivors under destroyed buildings after a natural catastrophe.

Lebensmittel & Landwirtschaft

One reason why most animals have a developed sense of smell is to detect if a food is edible or spoiled. We can imagine that very sensitive olfactory chips specialized in food products could be very useful for the food industry.

Similarly, farming drones could also be used to smell the ripening of fruit, the presence of fungal crop diseases, insect pheromones, etc.

Krebs- und Krankheitsdiagnostik

It has been known for a while now that some diseases are associated with the emission of specific smells. Anecdotal data of cats or dogs able to detect cancer have now been proven more than just urban myths through the use of artificial sensors.

Most notably, several cancers have started to be detected through these methods, mit der „elektronischen Nase“, die dies mit 95 % Genauigkeit leisten kann.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das von Penn entwickelte Werkzeug – das künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen nutzt, um die Mischung flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs), die von Zellen in Blutplasma‑Proben abgegeben werden, zu entschlüsseln – als nicht‑invasiver Ansatz zur Früherkennung schwer zu erkennender Krebsarten wie Bauchspeicheldrüsen‑ und Eierstockkrebs dienen könnte.

Penn Medicine News

We also see companies like BrainChip (BRN.AX ) using digital olfactory detection to detect bacteria in blood samples.

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

Im Gegensatz zur aktuellen Version könnte dies möglicherweise allein anhand des Geruchs unserer Haut oder unseres Atems erreicht werden, ohne dass eine Blutprobe erforderlich ist.

Smartphones & Elektronik

As a purely silicon-based system, olfactory chips could be integrated into our omnipresent small electronic tools like the smartphone.

Sie könnten nützlich sein, um ständig Bedrohungen wie Kohlenmonoxid, Rauch oder Gaslecks 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, etwa beim Kochen zu helfen, Gewürze zu erkennen usw.

Langfristig könnte es, wenn es mit einem „Geruchsgenerator“ gekoppelt wird, sogar den digitalen Transfer von (vorzugsweise angenehmen) Gerüchen zwischen Telefonen ermöglichen.

Neue Sinne erlangen

Another more distant in the future, but not impossible application would be to integrate such olfactory chips capability into the human body.

Insbesondere angesichts des schnellen Fortschritts von Mensch‑Maschine‑Schnittstellen, wie zum Beispiel Elon Musks Neuralink.

Wir könnten uns leicht vorstellen, dass ein solcher Sensor in unseren Körper integriert wird und uns vor schädlichen Chemikalien warnt, noch bevor sie biologisch wahrnehmbar sind. Oder für Chemikalien, die wir von Natur aus überhaupt nicht erkennen können.

„In Zukunft hoffen wir, dass der biomimetische olfaktorische Chip mit geeigneten biokompatiblen Materialien auch am menschlichen Körper platziert werden kann, um Gerüche zu riechen, die normalerweise nicht wahrnehmbar sind.

Er kann zudem die Abweichungen flüchtiger organischer Moleküle in unserem Atem und, von unserer Haut abgegeben, überwachen, um uns vor potenziellen Krankheiten zu warnen, und damit das Potenzial biomimetischer Technik weiter ausschöpfen.“

Prof. Fan Zhiyong

Unternehmen für olfaktorische Chips

The potential of olfactory chips is likely to be confined in the first years to “serious” applications with clear use cases, from disease diagnostics to threat detection. So these applications are most likely where we can find companies that could benefit from this innovation.

(this list did not include chip companies with strong potential in olfactory chips and sensors, but whose largest part of their revenues will most likely stay driven by “classical” computing chips, like for example Intel’s neuromorphic chip (INTC )  or IBM’s SyNAPSE – Scalable energy-efficient neuro synaptic computing chip).

1. BrainChips Holdings (BRN.AX)

This artificial intelligence company specializes in creating chips that mimic the human brain through Neural Network Layer Engines (NPEs).

Dieses Unternehmen für künstliche Intelligenz spezialisiert sich auf die Herstellung von Chips, die das menschliche Gehirn durch Neural Network Layer Engines (NPEs) nachahmen.

Es behauptet, das erste Unternehmen zu sein, das neuromorphe Technologie kommerzialisiert. Es sieht sich zudem dank On‑Chip‑Learning, standardisierter ML‑Workflows und On‑Chip‑Faltung als voraus gegenüber ernsthaften Wettbewerbern wie IBM‑ und Intel‑Chips.

Der Fokus liegt auf Vision, Audio, Olfaktion und intelligenten Transducer‑Anwendungen.

Quelle: BrainChip

Damit ist das Unternehmen ein sehr guter Kandidat, von Fortschritten bei olfaktorischen Chips zu profitieren. Es könnte die Entdeckung der HKUST direkt lizenzieren, versuchen, sie zu replizieren, oder seine eigenen Chips zu einem Schlüsselbestandteil der Hardware machen, die zur Interpretation der Nanoröhren‑Sensorarray‑Daten erforderlich ist.

Das Unternehmen sieht einen riesigen potenziellen Markt für seine Produkte, einschließlich maschineller Vision und olfaktorischer Fähigkeiten.

Quelle: BrainChip

BrainChip verfolgt ein margenstarkes IP‑Geschäftsmodell, bei dem es seine Technologie gegen eine Vorabgebühr und Lizenzgebühren lizenziert und anschließend mit Systemintegratoren zusammenarbeitet, um das Endprodukt zu erstellen.

2. Honeywell

Honeywell ist ein führendes Unternehmen im Bereich Detektion & Sensorik und hat eine starke bzw. dominante Präsenz in Branchen wie Gebäudeautomation, Luft- und Raumfahrt sowie Sicherheit (viele seiner Luft- und Raumfahrt‑ und Gebäudebereiche sind mit Sensortechnologien verbunden).

Als anerkannter Marktführer für Sensoren & Überwachung könnte es in einer hervorragenden Position sein, die Bandbreite von Gasdetektoren von ihrem derzeit begrenzten (aber bereits lukrativen) Zustand zu einem allgegenwärtigen Werkzeug auszubauen.

Quelle: Honeywell

Honeywell steht zudem an der Spitze anderer technologischer Innovationen, insbesondere Quantencomputing durch seine 54 %ige Beteiligung an Quantinuum und einem Geschäftsbereich, den wir in unserem Artikel „The Current State of Quantum Computing “ besprochen haben.

Es ist zudem im Bereich Liquid Metal Printing aktiv, ein Thema, das wir in „Liquid Metal Printing May Become a ‘Productive Force in the Landscape of Manufacturing and Design“ behandelt haben.

Honeywell ist bereits ein riesiges Unternehmen im Sensor‑ und Automatisierungssektor mit ehrgeizigen Zielen in einer breiten Palette innovativer Technologien.

Selbst wenn biomimetische olfaktorische Chips kurzfristig ein Konkurrent sein könnten, ist es wahrscheinlich, dass Honeywell sich anpassen und vom Wachstum des Marktes für olfaktorische Sensoren profitieren wird, sei es durch eigene F&E oder durch Übernahmen kleinerer Unternehmen.