Βιομιμητικά Οσφρητικά Τσιπ: Είναι η Τεχνητή Νοημοσύνη και οι Ηλεκτρονικές Μυαλοφόροι η Επόμενη Κανάρι στο Ορυχείο Άνθρακα;

Οι Δυσκολίες της Τεχνητής Οσφρητικής

Ενώ η μηχανική όραση έχει σημειώσει τεράστια πρόοδο τα τελευταία χρόνια, άλλα τεχνητά αισθήματα έχουν μείνει πίσω. Ένα από αυτά είναι η αίσθηση της όσφρησης ή «οσμή».

Αυτό συμβαίνει επειδή γνωρίζουμε εδώ και πολύ καιρό πώς να λαμβάνουμε ένα ακριβές ηλεκτρικό σήμα ως αντίδραση στο φως, κάτι που χρησιμοποιείται σε τεράστιες κλίμακες από τις πρώτες ψηφιακές κάμερες. Αντίθετα, η όσφρηση είναι ουσιαστικά η ανίχνευση πτητικών χημικών ουσιών.

Αυτό είναι πολύ πιο δύσκολο για μερικούς λόγους:

• Τα οσφρητικά χημικά σπάνια είναι «καθαρά». Αντίθετα, υπάρχουν σε σύνθετα μίγματα που μπορούν να δυσχεράνουν την ανίχνευσή τους.
• Το όριο ανίχνευσης που απαιτείται για να ισοδυναμεί με την ανθρώπινη ή ζωική αίσθηση της όσφρησης είναι πολύ χαμηλό, ανιχνεύοντας συγκεντρώσεις γενικά στην κλίμακα ppm (μέρη ανά εκατομμύριο, ή 0,0001%).
• Η μικροποίηση είναι απαραίτητη για τις περισσότερες εφαρμογές, απαιτώντας τόσο προηγμένα τσιπ όσο και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας.
• Οποιαδήποτε ανίχνευση που βασίζεται σε χημική αντίδραση θα απαιτεί τακτική αλλαγή των καταλυτών ή των χημικών που χρησιμοποιούνται στον αισθητήρα.

Για όλους αυτούς τους λόγους, η περισσότερη χημική / οσφρητική ψηφιακή ανίχνευση περιορίζεται επί του παρόντος σε λίγες χημικές ενώσεις. Και γενικά χρησιμοποιείται μόνο σε βιομηχανικό περιβάλλον όπου τα επικίνδυνα χημικά που πρέπει να ανιχνευθούν αναμένεται να προέρχονται από ατυχήματα ή διαρροές, π.χ. μονοξείδιο του άνθρακα, όζον, χλώριο κ.λπ.

Αυτό θα μπορούσε να αλλάξει χάρη στην ανάπτυξη βιομιμητικών οσφρητικών τσιπ από ερευνητές στην ομάδα του Καθηγητή Fan Zhiyong, Καθηγητή Καθηκόντων στο Hong Kong University of Science and Technology (HKUST).

Πηγή: HKUST

Βιομιμητικά Οσφρητικά Τσιπ

Πώς Λειτουργεί η Όσφρηση;

Ο τρόπος με τον οποίο λειτουργεί η αίσθηση της όσφρησης σε ζώα και ανθρώπους είναι μέσω ενός συνόλου «χημικών ανιχνευτών» που ονομάζονται οσφρητικοί υποδοχείς, ικανοί να ανιχνεύουν με υψηλή ευαισθησία μια ευρεία γκάμα πτητικών χημικών.

Ο αριθμός των γονιδίων που κωδικοποιούν τέτοιους οσφρητικούς υποδοχείς μπορεί να κυμαίνεται από 300 έως 1.200, ανάλογα με το είδος και το πόσο σημαντική είναι η όσφρηση για αυτό.

Έτσι, αντί να υπάρχει ένας υποδοχέας για κάθε πιθανό χημικό μόριο, κάθε ένωση θα έχει ένα μοναδικό «αποτύπωμα» που παράγεται όταν ενεργοποιεί καθέναν από αυτούς τους υποδοχείς ελαφρώς διαφορετικά. Οι οσφρητικοί βολβοί στη συνέχεια συναρμολογούν αυτό το σύνθετο σήμα σε νευρικό σήμα και το ερμηνεύουν από ένα τμήμα του εγκεφάλου που ονομάζεται οσφρητικό σύμπλεγμα.

Κατασκευή Οσφρητικών Τσιπ

Οι ερευνητές του HKUST έχουν δημιουργήσει έναν τρόπο να αντιγράψουν αυτό το σύστημα, παρακάμπτοντας τους περιορισμούς της κατασκευής μικροποιημένου υποδοχέα για κάθε πιθανή χημική ένωση.

Συνέθεσαν διατάξεις αισθητήρων νανοσωλήνων σε νανοπορώδες υπόστρωμα, φθάνοντας έως και 10.000 ατομικά προσβάσιμους αερογενείς αισθητήρες ανά τσιπ.

Αυτά τα δεδομένα επεξεργάζονται στη συνέχεια από έναν αλγόριθμο νευρωνικού δικτύου για να μετατραπούν σε μια «αντίληψη» μιας συγκεκριμένης χημικής ψηφιακής οσμής.

Πηγή: HKUST

Δυνατότητες των Οσφρητικών Τσιπ

Αυτό το σχέδιο δίνει στα οσφρητικά τσιπ τη δυνατότητα να ανιχνεύουν ταυτόχρονα τόσο την παρουσία όσο και τη συγκέντρωση μιας δωδεκάδας ή περισσότερων χημικών ταυτόχρονα.

Ως επίδειξη, η ομάδα δημιούργησε ένα βιομιμητικό οσφρητικό τσιπ που έδειξε εξαιρετική ευαισθησία σε διάφορα αέρια, και με εξαιρετική διακριτότητα για μίγματα αερίων και 24 διακριτές οσμές.

Στη συνέχεια ενσωμάτωσαν τόσο το οσφρητικό τσιπ όσο και αισθητήρες όρασης σε ένα ρομποτικό σκυλί, δημιουργώντας ένα συνδυασμένο οσφρητικό και οπτικό σύστημα που μπορεί να αναγνωρίζει με ακρίβεια αντικείμενα σε τυφλά κουτιά, σχεδόν όπως ένα «πραγματικό σκυλί».

Πηγή: HKUST

Εφαρμογές Οσφρητικών Τσιπ

Ασφάλεια

Η πιο άμεση εφαρμογή των οσφρητικών τσιπ είναι εκεί όπου οι περισσότεροι χημικοί ανιχνευτές χρησιμοποιούνται επί του παρόντος: εφαρμογές ασφαλείας. Αυτό περιλαμβάνει εργοστάσια, σταθμούς επεξεργασίας νερού, πετροχημικές βιομηχανίες, ανίχνευση διαρροών σωλήνων και περιβαλλοντική παρακολούθηση (ατμοσφαιρική ρύπανση κ.λπ.).

Αυτοί οι νέοι τύποι ανιχνευτών θα μπορούσαν να ανιχνεύουν περισσότερα χημικά ταυτόχρονα από τις προηγούμενες τεχνολογίες, επιτρέποντας μεγαλύτερο ρεύμα δεδομένων και καλύτερη αξιολόγηση της ασφάλειας.

Άμυνα & Ασφάλεια

Όπως επιδείχθηκε από το πρωτότυπο ρομποτικού σκύλου, ένα τέτοιο σύστημα ανίχνευσης θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση αλλιώς αόρατων απειλών. Από το λαθρεμπόριο ναρκωτικών έως την ανίχνευση εκρηκτικών, κάθε δραστηριότητα όπου χρησιμοποιούνται σκυλιά-ανιχνευτές θα μπορούσε να συστηματοποιηθεί, χάρη στη συνένωση της τεχνητής νοημοσύνης, της αυτόνομης ρομποτικής και των οσφρητικών τσιπ.

Οι επιχειρήσεις έρευνας και διάσωσης θα μπορούσαν επίσης να ωφεληθούν από τα οσφρητικά τσιπ για την εύρεση επιζώντων κάτω από κατεστραμμένα κτίρια μετά από φυσική καταστροφή.

Τρόφιμα & Γεωργία

Ένας λόγος για τον οποίο τα περισσότερα ζώα έχουν ανεπτυγμένη αίσθηση της όσφρησης είναι για να ανιχνεύουν αν ένα τρόφιμο είναι βρώσιμο ή χαλασμένο. Μπορούμε να φανταστούμε ότι πολύ ευαίσθητα οσφρητικά τσιπ εξειδικευμένα σε προϊόντα τροφίμων θα μπορούσαν να είναι πολύ χρήσιμα για τη βιομηχανία τροφίμων.

Ανάλογα, τα γεωργικά drones θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση της ωρίμανσης φρούτων, της παρουσίας μυκητιακών ασθενειών στις καλλιέργειες, των φερομονών εντόμων κ.λπ.

Ανίχνευση Καρκίνου και Ασθενειών

Γνωρίζεται εδώ και κάποιο διάστημα ότι ορισμένες ασθένειες συνδέονται με την εκπομπή συγκεκριμένων οσμών. Τα ανεκδοτικά δεδομένα για γάτες ή σκυλιά που μπορούν να ανιχνεύσουν καρκίνο έχουν πλέον αποδειχθεί περισσότερο από μύθους μέσω της χρήσης τεχνητών αισθητήρων.

Ιδιαίτερα, αρκετοί καρκίνοι έχουν αρχίσει να ανιχνεύονται μέσω αυτών των μεθόδων, με το «ηλεκτρονικό μύτη» να μπορεί να το κάνει με 95% ακρίβεια.

Τα ευρήματα υποδηλώνουν ότι το εργαλείο που ανέπτυξε το Penn — το οποίο χρησιμοποιεί τεχνητή νοημοσύνη και μηχανική μάθηση για την αποκωδικοποίηση του μίγματος των πτητικών οργανικών ενώσεων (VOCs) που εκπέμπονται από κύτταρα σε δείγματα πλάσματος αίματος — θα μπορούσε να λειτουργήσει ως μη επεμβατική προσέγγιση για τον εντοπισμό πιο δύσκολων προς ανίχνευση καρκίνων, όπως ο παγκρεατικός και ο ωοθηκικός.

Penn Medicine News

Βλέπουμε επίσης εταιρείες όπως η BrainChip (BRN.AX ) να χρησιμοποιούν ψηφιακή οσφρητική ανίχνευση για τον εντοπισμό βακτηρίων σε δείγματα αίματος.

Είναι πιθανό ότι όσο τα οσφρητικά τσιπ γίνονται πιο ευαίσθητα και ικανά να ανιχνεύουν δεκάδες ή εκατοντάδες ενώσεις ταυτόχρονα, τόσο περισσότερες τέτοιες ανακαλύψεις θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για διάγνωση, όχι μόνο του καρκίνου αλλά και πολλών άλλων ασθενειών, ιδιαίτερα μεταβολικών.

Αντίθετα με την τρέχουσα έκδοση, θα μπορούσε ίσως να το επιτύχει μόνο από την οσμή του δέρματός μας ή της αναπνοής, χωρίς καν να χρειάζεται δείγμα αίματος.

Έξυπνα τηλέφωνα & Ηλεκτρονικά

Ως ένα σύστημα βασισμένο αποκλειστικά σε πυρίτιο, τα οσφρητικά τσιπ θα μπορούσαν να ενσωματωθούν στα πανταχού παρόντα μικρά ηλεκτρονικά εργαλεία μας, όπως το έξυπνο τηλέφωνο.

Θα μπορούσε να είναι χρήσιμο για τη συνεχή παρακολούθηση και αυτόματη ανίχνευση απειλών όπως μονοξείδιο του άνθρακα, καπνός ή διαρροές αερίου ή για την αξιολόγηση της ασφάλειας των τροφίμων.

Μπορούμε επίσης να φανταστούμε πιο τετριμμένες αλλά ωστόσο δυνητικά χρήσιμες και δημοφιλείς εφαρμογές, όπως βοήθεια κατά το μαγείρεμα, αναγνώριση μπαχαρικών κ.λπ.

Σε μακροπρόθεσμο ορίζοντα, εάν συνδυαστεί με έναν «γεννήτρια οσμών», θα μπορούσε ακόμη και να επιτρέψει τη ψηφιακή μεταφορά (κατά προτίμηση καλών) οσμών μεταξύ τηλεφώνων.

Απόκτηση Νέων Αισθήσεων

Μια άλλη πιο απομακρυσμένη στο μέλλον, αλλά όχι αδύνατη εφαρμογή, θα ήταν η ενσωμάτωση αυτής της δυνατότητας των οσφρητικών τσιπ στο ανθρώπινο σώμα.

Ιδιαίτερα λαμβάνοντας υπόψη την ταχεία πρόοδο των διεπαφών ανθρώπου-μηχανής, όπως, για παράδειγμα, το Neuralink του Έλον Μασκ.

Μπορούμε εύκολα να φανταστούμε έναν τέτοιο αισθητήρα να ενσωματώνεται στα σώματά μας και να μας παρέχει προειδοποιήσεις για επιβλαβείς χημικές ουσίες σε επίπεδα κάτω από όσα είναι βιολογικά εφικτά. Ή για χημικές ουσίες που δεν μπορούμε καθόλου να ανιχνεύσουμε φυσικά.

“Στο μέλλον, με την ανάπτυξη κατάλληλων βιοσυμβατών υλικών, ελπίζουμε ότι το βιομιμητικό οσφρητικό τσιπ μπορεί επίσης να τοποθετηθεί στο ανθρώπινο σώμα ώστε να μας επιτρέπει να μυρίζουμε οσμές που κανονικά δεν μπορούμε να μυρίσουμε.

Μπορεί επίσης να παρακολουθεί τις ανωμαλίες σε πτητικά οργανικά μόρια στην αναπνοή μας και που εκπέμπονται από το δέρμα μας, για να μας προειδοποιεί για πιθανές ασθένειες, επεκτείνοντας το δυναμικό της βιομιμητικής μηχανικής,

Prof. Fan Zhiyong

Εταιρείες Οσφρητικών Τσιπ

Το δυναμικό των οσφρητικών τσιπ πιθανότατα θα περιοριστεί τα πρώτα χρόνια σε «σοβαρές» εφαρμογές με σαφείς περιπτώσεις χρήσης, από διαγνωστικά ασθενειών έως ανίχνευση απειλών. Έτσι, αυτές οι εφαρμογές είναι πιθανότατα εκεί όπου μπορούμε να βρούμε εταιρείες που θα μπορούσαν να ωφεληθούν από αυτήν την καινοτομία.

(αυτή η λίστα δεν περιλαμβάνει εταιρείες τσιπ με ισχυρό δυναμικό στα οσφρητικά τσιπ και αισθητήρες, αλλά του οποίου το μεγαλύτερο μέρος των εσόδων πιθανότατα θα παραμείνει καθοδηγούμενο από τα «κλασικά» υπολογιστικά τσιπ, όπως για παράδειγμα Intel’s neuromorphic chip (INTC ) ή IBM’s SyNAPSE – Scalable energy-efficient neuro synaptic computing chip).

1. BrainChips Holdings (BRN.AX)

Αυτή η εταιρεία τεχνητής νοημοσύνης ειδικεύεται στη δημιουργία τσιπ που μιμούνται τον ανθρώπινο εγκέφαλο μέσω των Neural Network Layer Engines (NPEs).

Διεκδικεί ότι είναι η πρώτη που εμπορευματοποιεί τη νευρομορφική τεχνολογία. Θεωρεί επίσης ότι είναι μπροστά από σοβαρούς ανταγωνιστές όπως τα τσιπ της IBM και της Intel, χάρη στη μάθηση εντός τσιπ, το τυπικό workflow ML και τη σύγκλιση εντός τσιπ.

Επικεντρώνεται σε εφαρμογές όρασης, ήχου, όσφρησης και έξυπνων μετατροπέων.

Πηγή: BrainChip

Αυτό καθιστά την εταιρεία πολύ καλό υποψήφιο για να ωφεληθεί από την πρόοδο στα οσφρητικά τσιπ. Θα μπορούσε να αδειοδοτήσει άμεσα την ανακάλυψη του HKUST, να προσπαθήσει να την αντιγράψει, ή να δει τα δικά της τσιπ να γίνονται βασικό μέρος του υλικού που απαιτείται για την ερμηνεία των δεδομένων της διάταξης αισθητήρων νανοσωλήνων.

Η εταιρεία βλέπει μια τεράστια δυνητική αγορά για τα προϊόντα της, συμπεριλαμβανομένης της μηχανικής όρασης και των οσφρητικών δυνατοτήτων.

Πηγή: BrainChip

Η BrainChip έχει ένα επιχειρηματικό μοντέλο IP υψηλού περιθωρίου, όπου αδειοδοτεί την τεχνολογία της με προκαταβολική αμοιβή και ροές δικαιωμάτων, και στη συνέχεια συνεργάζεται με ενσωματωτές συστημάτων για τη δημιουργία του τελικού προϊόντος.

2. Honeywell

Η Honeywell είναι ηγέτης στην ανίχνευση & αισθητήρες, με ισχυρή ή κυρίαρχη παρουσία σε βιομηχανίες όπως η αυτοματοποίηση κτιρίων, η αεροδιαστημική και η ασφάλεια (πολλές από τις αεροδιαστημικές και κτιριακές δραστηριότητές της συνδέονται με τεχνολογίες αισθητήρων).

Ως αναγνωρισμένος ηγέτης σε αισθητήρες & παρακολούθηση, θα μπορούσε να βρίσκεται σε ιδανική θέση για να εμπορευματοποιήσει και να επεκτείνει το εύρος των ανιχνευτών αερίων από την τρέχουσα περιορισμένη (αλλά ήδη κερδοφόρα) κατάσταση σε ένα πανταχού παρόν εργαλείο.

Πηγή: Honeywell

Η Honeywell βρίσκεται επίσης στην πρώτη γραμμή άλλων τεχνολογικών καινοτομιών, ιδιαίτερα στην κβαντική υπολογιστική μέσω της ιδιοκτησίας του 54% της Quantunuum και σε έναν επιχειρηματικό τομέα που συζητήσαμε στο άρθρο μας «The Current State of Quantum Computing ».

Επίσης δραστηριοποιείται στην Εκτύπωση Υγρού Μετάλλου, κάτι που συζητήσαμε στο «Liquid Metal Printing May Become a ‘Productive Force in the Landscape of Manufacturing and Design».

Η Honeywell είναι ήδη μια τεράστια εταιρεία στον τομέα των αισθητήρων και της αυτοματοποίησης, με φιλόδοξους στόχους σε ένα ευρύ φάσμα καινοτόμων τεχνολογιών.

Έτσι, ακόμη και αν τα βιομιμητικά οσφρητικά τσιπ μπορούσαν να αποτελέσουν ανταγωνιστή σε βραχυπρόθεσμο ορίζοντα, είναι πιθανό ότι θα μπορέσει να προσαρμοστεί και να ωφεληθεί από την ανάπτυξη της αγοράς οσφρητικών αισθητήρων, είτε μέσω της δικής της Έ&Α είτε μέσω εξαγορών μικρότερων εταιρειών.