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

Die Schwierigkeiten der künstlichen Geruchswahrnehmung

Während die maschinelle Bildverarbeitung in den vergangenen Jahren enorme Fortschritte gemacht hat, sind andere künstliche Sinne zurückgeblieben. Dazu gehört der Geruchssinn, auch Olfaktion genannt.

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.

Dies ist aus mehreren Gründen deutlich schwieriger:

• Geruchsstoffe sind selten “rein”. Sie liegen stattdessen in komplexen Mischungen vor, die ihre Erkennung erschweren.
• Die für eine mit dem menschlichen oder tierischen Geruchssinn vergleichbare Erkennung erforderliche Nachweisgrenze ist sehr niedrig. Sie liegt 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.

Aus all diesen Gründen ist die digitale chemische beziehungsweise olfaktorische Erkennung derzeit meist auf wenige chemische Verbindungen beschränkt. Sie wird in der Regel nur in industriellen Umgebungen eingesetzt, in denen gefährliche Stoffe durch Unfälle oder Lecks freigesetzt werden können, beispielsweise Kohlenmonoxid, Ozon oder Chlor.

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?

Der Geruchssinn von Tieren und Menschen funktioniert über eine Vielzahl „chemischer Detektoren“, die als Geruchsrezeptoren bezeichnet werden. Sie können ein breites Spektrum flüchtiger chemischer Stoffe mit hoher Empfindlichkeit erkennen.

Die Zahl der Gene, die für solche Geruchsrezeptoren kodieren, kann je nach Art und Bedeutung des Geruchssinns zwischen 300 und 1.200 liegen.

Es gibt also nicht für jedes mögliche chemische Molekül einen eigenen Rezeptor. Stattdessen erzeugt jede Verbindung ein charakteristisches Muster, indem sie diese Rezeptoren jeweils etwas unterschiedlich aktiviert. Die Riechkolben fassen diese komplexen Informationen zu einem Nervensignal zusammen, das anschließend im olfaktorischen Komplex des Gehirns interpretiert wird.

Herstellung olfaktorischer Chips

Forscher der HKUST haben einen Weg entwickelt, dieses System nachzubilden, ohne für jede mögliche chemische Verbindung einen eigenen miniaturisierten Rezeptor herstellen zu müssen.

Sie bauten Nanoröhren-Sensoranordnungen auf einem nanoporösen Substrat auf und erreichten bis zu 10.000 einzeln ansteuerbare Gassensoren pro Chip.

Diese Daten werden anschließend von einem neuronalen Netzwerkalgorithmus verarbeitet und in eine „Wahrnehmung“ eines bestimmten chemischen Geruchs in digitaler Form übersetzt.

Quelle: HKUST

Potenzial olfaktorischer Chips

Dieses Design ermöglicht es den olfaktorischen Chips, das Vorhandensein und die Konzentration von einem Dutzend oder mehr chemischen Stoffen gleichzeitig zu erfassen.

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

Die unmittelbarste Anwendung olfaktorischer Chips liegt dort, wo heute bereits die meisten chemischen Detektoren eingesetzt werden: im Sicherheitsbereich. Dazu gehören Fabriken, Wasseraufbereitungsanlagen, die petrochemische Industrie, die Erkennung von Rohrleitungslecks und die Umweltüberwachung, etwa zur Messung der Luftverschmutzung.

Diese neuen Detektoren könnten mehr chemische Stoffe gleichzeitig erfassen als bisherige Technologien und dadurch mehr Daten sowie eine bessere Sicherheitsbewertung ermöglichen.

Verteidigung & Sicherheit

Wie der Prototyp des Roboterhundes zeigt, könnte ein solches Erkennungssystem sonst unsichtbare Gefahren aufspüren. Von der Aufdeckung von Drogenschmuggel bis zur Suche nach Sprengstoff ließen sich durch die Verbindung von KI, autonomer Robotik und olfaktorischen Chips alle Aufgaben systematisieren, bei denen Spürhunde eingesetzt werden.

Auch Such- und Rettungseinsätze könnten von olfaktorischen Chips profitieren, um nach Naturkatastrophen Überlebende unter eingestürzten Gebäuden zu finden.

Lebensmittel & Landwirtschaft

Ein Grund für den ausgeprägten Geruchssinn der meisten Tiere ist die Unterscheidung zwischen essbarer und verdorbener Nahrung. Sehr empfindliche olfaktorische Chips, die auf Lebensmittel spezialisiert sind, könnten daher für die Lebensmittelindustrie äußerst nützlich sein.

Ebenso könnten landwirtschaftliche Drohnen anhand von Gerüchen den Reifegrad von Früchten, Pilzerkrankungen an Pflanzen oder Insektenpheromone erkennen.

Krebs- und Krankheitsdiagnostik

Seit einiger Zeit ist bekannt, dass manche Krankheiten mit der Abgabe bestimmter Gerüche verbunden sind. Der Einsatz künstlicher Sensoren hat inzwischen gezeigt, dass Berichte über Katzen oder Hunde, die Krebs erkennen können, mehr als bloße Großstadtlegenden sind.

Insbesondere lassen sich mit diesen Methoden inzwischen mehrere Krebsarten erkennen, 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

Auch Unternehmen wie BrainChip (BRN.AX ) nutzen digitale Geruchserkennung, um Bakterien in Blutproben nachzuweisen.

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

Als rein siliziumbasierte Systeme könnten olfaktorische Chips in allgegenwärtige kleine elektronische Geräte wie Smartphones integriert werden.

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

Eine weitere, noch in fernerer Zukunft liegende, aber nicht unmögliche Anwendung wäre die Integration dieser Geruchserkennungsfähigkeiten in den menschlichen Körper.

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

In den ersten Jahren dürfte das Potenzial olfaktorischer Chips vor allem in anspruchsvollen Anwendungen mit klaren Einsatzmöglichkeiten liegen, von der Krankheitsdiagnostik bis zur Gefahrenerkennung. In diesen Bereichen finden sich daher am ehesten Unternehmen, die von dieser Innovation profitieren könnten.

(Diese Liste enthält keine Chiphersteller mit großem Potenzial bei olfaktorischen Chips und Sensoren, deren Umsatz jedoch voraussichtlich weiterhin überwiegend aus „klassischen“ Computerchips stammt. Beispiele sind Intels neuromorpher Chip (INTC )  oder IBMs SyNAPSE – skalierbarer, energieeffizienter neurosynaptischer Computerchip).

1. BrainChips Holdings (BRN.AX)

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 „Der aktuelle Stand des Quantencomputings “ besprochen haben.

Es ist zudem im Bereich Liquid Metal Printing aktiv, ein Thema, das wir in „Flüssigmetalldruck könnte zu einer produktiven Kraft in Fertigung und Design werden“ 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.