Βιομιμητικά Οσφρητικά Chips: Είναι η Τεχνητή Νοημοσύνη και οι Ηλεκτρονικές Μύτες το Επόμενο Καναρίνι σε Ένα Λιγνιτό Λάκκο;

Οι Δυσκολίες της Τεχνητής Οσφρήσεως

Ενώ η μηχανική όραση έχει κάνει τεράστια πρόοδο τα τελευταία χρόνια, άλλες τεχνητές αισθήσεις έχουν μείνει πίσω. Μια από αυτές είναι η αίσθηση της οσφρήσεως ή ‘μύρου’.
Это потому что γνωρίζαμε ήδη πώς να λάβουμε ένα ακριβές ηλεκτρικό σήμα ως απάντηση στο φως, κάτι που έχει χρησιμοποιηθεί σε μαζική κλίμακα από την πρώτη ψηφιακή κάμερα. Αντιθέτως, ο μύρος είναι ουσιαστικά η ανίχνευση εύφλεκτων χημικών ουσιών.
Αυτό είναι πολύ πιο δύσκολο για几个 λόγους:

• Οι οσμηρικές χημικές ουσίες σπάνια είναι “καθαρές”. Παρουσιάζονται αντίθετα σε σύνθετα μίγματα που possono complicate την ανίχνευσή τους.
• Το όριο ανίχνευσης που χρειάζεται για να ισοδυναμεί με την ανθρώπινη ή ζωική αίσθηση του μύρου είναι πολύ χαμηλό, ανιχνεύοντας συγκεντρώσεις γενικά στην περιοχή ppm (μερικά μέρη ανά εκατομμύριο, ή 0,0001%).
• Η miniaturization είναι απαραίτητη για τις περισσότερες εφαρμογές, απαιτώντας τόσο προηγμένα chips όσο και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας.
• Κάθε ανίχνευση που βασίζεται σε χημική αντίδραση θα απαιτήσει τακτικές αλλαγές των καταλυτών ή των χημικών που χρησιμοποιούνται στον αισθητήρα.

Για όλους αυτούς τους λόγους, η περισσότερη χημική / οσφρητική ψηφιακή ανίχνευση είναι目前 περιορισμένη σε λίγες χημικές ουσίες. Και γενικά χρησιμοποιείται μόνο σε βιομηχανικό περιβάλλον όπου οι επικίνδυνες χημικές ουσίες που πρέπει να ανιχνευτούν προέρχονται από ατυχήματα ή διαρροές, για παράδειγμα, μονοξείδιο του άνθρακα, όζον, χλώριο, κ.λπ.
Αυτό μπορεί να αλλάξει χάρη στην ανάπτυξη βιομιμητικών οσφρητικών chips από ερευνητές στην ομάδα του Καθηγητή Fan Zhiyong, Καθηγητή στο Πανεπιστήμιο Επιστημών και Τεχνολογίας του Χονγκ Κονγκ (HKUST).

Source: HKUST

Βιομιμητικά Οσφρητικά Chips

Πώς Λειτουργεί ο Μύρος;

Ο τρόπος με τον οποίο λειτουργεί η αίσθηση του μύρου στα ζώα και τους ανθρώπους είναι μέσω eines πίνακα “χημικών ανιχνευτών” που ονομάζονται οσφρητικοί υποδοχείς, ικανοί να ανιχνεύουν με υψηλή ευαισθησία ένα ευρύ φάσμα εύφλεκτων χημικών.
Ο αριθμός των γονιδίων που κωδικοποιούν τέτοιους οσφρητικούς υποδοχείς μπορεί να ποικίλλει από 300 έως 1.200, ανάλογα με το είδος και πόσο σημαντική είναι η αίσθηση του μύρου για αυτό.
Έτσι, αντί να έχεις έναν υποδοχέα για κάθε δυνατή χημική μόρια, κάθε ένωση θα έχει một μοναδικό “ιχνογράφο” που παράγεται όταν ενεργοποιεί κάθε einen από αυτούς τους υποδοχείς ελαφρώς διαφορετικά. Οι οσφρητικοί βολβοί τότε συναρμολογούν αυτό το σύνθετο σήμα σε ένα νευρικό σήμα και το ερμηνεύουν από ένα μέρος του εγκεφάλου που ονομάζεται οσφρητικός σύνθετος.

Κατασκευή Οσφρητικών Chips

Οι ερευνητές του HKUST έχουν δημιουργήσει έναν τρόπο να αναπαράγουν αυτό το σύστημα, παρακάμπτοντας τις περιορισμούς της κατασκευής eines miniaturized υποδοχέα για κάθε δυνατή χημική ένωση.
Συναρμολόγησαν πίνακες αισθητήρων νανοσωλήνων σε ένα νανοπορώδες υπόστρωμα, φτάνοντας μέχρι 10.000 ατομικά διευθυνσιοδοτούμενους αισθητήρες αερίου ανά chip.
Αυτά τα δεδομένα τότε επεξεργάζονται από έναν αλγόριθμο νευρωνικού δικτύου για να μεταφραστούν σε μια “αντίληψη” μιας συγκεκριμένης χημικής ψηφιακής οσμής.

Source: HKUST

Δυνατότητες Οσφρητικών Chips

Αυτό το σχέδιο δίνει στα οσφρητικά chips τη δυνατότητα να ανιχνεύουν ταυτόχρονα την παρουσία και τη συγκέντρωση ενός δωδεκάδας ή περισσότερων χημικών ταυτόχρονα.
Ως επίδειξη, η ομάδα δημιούργησε ένα βιομιμητικό οσφρητικό chip που απέδειξε εξαιρετική ευαισθησία σε διάφορες αέρες και με εξαιρετική διακρίσιμη για μεικτά αέρια και 24 διαφορετικές οσμηρές ουσίες.
Τότε ενσωμάτωσαν και τα οσφρητικά chips και αισθητήρες όρασης σε ένα ρομποτικό σκύλο, δημιουργώντας ένα συνδυασμένο οσφρητικό και οπτικό σύστημα που μπορεί να αναγνωρίσει ακριβώς αντικείμενα σε τυφλά κουτιά, σχεδόν σαν ένα “πραγματικό” σκύλο.

Source: HKUST

Εφαρμογές Οσφρητικών Chips

Ασφάλεια

Η πιο άμεση εφαρμογή των οσφρητικών chips είναι όπου χρησιμοποιούνται περισσότεροι χημικοί ανιχνευτές: εφαρμογές ασφάλειας. Αυτό περιλαμβάνει εργοστάσια, σταθμούς επεξεργασίας νερού, πετρελαϊκές βιομηχανίες, ανίχνευση διαρροών αγωγών και περιβαλλοντική παρακολούθηση (αεροπορική ρύπανση, κ.λπ.).
Αυτοί οι νέοι τύποι ανιχνευτών θα μπορούσαν να ανιχνεύουν περισσότερες χημικές ουσίες ταυτόχρονα από τις προηγούμενες τεχνολογίες, επιτρέποντας μια μεγαλύτερη ροή δεδομένων και καλύτερη αξιολόγηση της ασφάλειας.

Άμυνα & Ασφάλεια

Όπως απέδειξε το ρομποτικό σκύλο, τέτοιο σύστημα ανίχνευσης θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση αόρατων απειλών. Από τη διακίνηση ναρκωτικών έως την ανίχνευση εκρηκτικών, κάθε δραστηριότητα όπου χρησιμοποιούνται σκύλοι ανίχνευσης θα μπορούσε να συστηματοποιηθεί, χάρη στη σύντηξη της Τεχνητής Νοημοσύνης, της αυτονομίας ρομποτικής και των οσφρητικών chips.
Η έρευνα και διάσωση θα μπορούσε επίσης να επωφεληθεί από τα οσφρητικά chips για να βρει επιζώντες κάτω από καταστραφέντα κτήρια μετά από μια φυσική καταστροφή.

Τρόφιμα & Γεωργία

Ένας λόγος για τον οποίο τα περισσότερα ζώα έχουν αναπτυγμένη αίσθηση του μύρου είναι για να ανιχνεύσουν εάν ένα τρόφιμο είναι εδώδιμο ή σαπρό. Μπορούμε να φανταστούμε ότι πολύ ευαίσθητα οσφρητικά chips που ειδικεύονται σε προϊόντα τροφίμων θα μπορούσαν να είναι πολύ χρήσιμα για τη βιομηχανία τροφίμων.
Παράλληλα, γεωργικοί δρόνοι θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για να μυρίσουν την ωρίμανση του φρούτου, την παρουσία μυκητιακών ασθενειών, φеромόνες εντόμων, κ.λπ.

Ανίχνευση Καρκίνου και Νοσημάτων

Γνωρίζαμε ήδη ότι κάποια νοσήματα συνδέονται με την εκπομπή συγκεκριμένων οσμών. ΑναFERICAL δεδομένα γατιών ή σκύλων που μπορούν να ανιχνεύσουν τον καρκίνο έχουν αποδειχθεί περισσότερο από απλά αστικά μύθους μέσω της χρήσης τεχνητών αισθητήρων.
Πολλά νοσήματα έχουν αρχίσει να ανιχνεύονται μέσω αυτών των μεθόδων, με το “ηλεκτρονικό μύλο” να μπορεί να το κάνει με ακρίβεια 95%.

Τα ευρήματα δείχνουν ότι το εργαλείο που αναπτύχθηκε από το Penn — το οποίο χρησιμοποιεί τεχνητή νοημοσύνη και μηχανική μάθηση για να αποκρυπτογραφήσει το μείγμα των εύφλεκτων οργανικών ενώσεων (VOCs) που εκπέμπονται από κύτταρα σε δείγματα πλάσματος αίματος — θα μπορούσε να χρησιμεύσει ως μια μη επεμβατική προσέγγιση για τον έλεγχο για πιο δύσκολα να ανιχνευτούν καρκίνους, όπως ο παγκρεατικός και ο ωοθηκικός.
Penn Medicine News

Βλέπουμε επίσης εταιρείες όπως η BrainChip να χρησιμοποιούν ψηφιακή οσφρητική ανίχνευση για την ανίχνευση βακτηρίων σε δείγματα αίματος.
Είναι πιθανό ότι όσο πιο ευαίσθητα γίνονται τα οσφρητικά chips και μπορούν να ανιχνεύσουν δεκάδες ή εκατοντάδες ενώσεις ταυτόχρονα, τόσο περισσότερες τέτοιες ανακαλύψεις θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για διάγνωση, όχι μόνο του καρκίνου αλλά και πολλών άλλων νοσημάτων, ιδιαίτερα μεταβολικών νοσημάτων.
Αντίθετα με την τρέχουσα έκδοση, θα μπορούσε να το πετύχει αυτό μόνο από τη μυρωδιά του δέρματος ή της αναπνοής μας, χωρίς να χρειάζεται δείγμα αίματος.

Κινητά Τηλέφωνα & Ηλεκτρονικά

Ως ένα καθαρό σύστημα silicon, τα οσφρητικά chips θα μπορούσαν να ενσωματωθούν στα πανταχού παρόντα μικρά ηλεκτρονικά εργαλεία μας όπως το κινητό τηλέφωνο.
Θα μπορούσε να είναι χρήσιμο για να παρακολουθεί και να ανιχνεύει αυτόματα απειλές όπως το μονοξείδιο του άνθρακα, καπνός, διαρροές αερίου ή να κρίνει την ασφάλεια των τροφίμων.
Μπορούμε επίσης να φανταστούμε πιο εύκολες αλλά εξίσου χρήσιμες και δημοφιλείς εφαρμογές, όπως βοήθεια κατά τη μαγείρεψη, αναγνώριση μπαχαρικών, κ.λπ.
Στο μακροπρόθεσμο, αν συνδυαστεί με einen “γεννήτρια οσμής”, θα μπορούσε ακόμη και να επιτρέψει τη ψηφιακή μεταφορά οσμών μεταξύ τηλεφώνων.

Αποκτώντας Νέες Αισθήσεις

Μια άλλη πιο μακροπρόθεσμη αλλά όχι αδύνατη εφαρμογή θα ήταν να ενσωματώσουν τέτοια οσφρητικά chips στην ανθρώπινη σωματική.
Ιδιαίτερα λαμβάνοντας υπόψη την ταχεία πρόοδο των ανθρώπινων-μηχανικών διεπαφών, όπως για παράδειγμα το Neuralink του Elon Musk.
Μπορούμε εύκολα να φανταστούμε τέτοιο αισθητήρα να ενσωματώνεται στο σώμα μας και να μας προειδοποιεί για επικίνδυνες χημικές ουσίες σε επίπεδα κάτω από αυτά που είναι βιολογικά δυνατά. Ή για χημικές ουσίες που δεν μπορούμε φυσικά να ανιχνεύσουμε.

“Στο μέλλον, με την ανάπτυξη κατάλληλων βιο-συμβατών υλικών, ελπίζουμε ότι το βιομιμητικό οσφρητικό chip θα μπορεί επίσης να τοποθετηθεί στο ανθρώπινο σώμα για να μας επιτρέψει να μυρίσουμε οσμές που συνήθως δεν μπορούμε να μυρίσουμε.
Μπορεί επίσης να παρακολουθεί τις ανωμαλίες στις εύφλεκτες οργανικές молекύλες στο αναπνευστικό μας σύστημα και να εκπέμπονται από το δέρμα μας, για να μας προειδοποιήσει για πιθανά νοσήματα, φτάνοντας ακόμη περισσότερο το δυναμικό της βιομιμητικής μηχανικής,”
Καθηγητής Fan Zhiyong

Εταιρείες Οσφρητικών Chips

Το δυναμικό των οσφρητικών chips είναι πιθανό να περιοριστεί τα πρώτα χρόνια σε “σοβαρές” εφαρμογές με σαφείς περιπτώσεις χρήσης, από διάγνωση νοσημάτων έως ανίχνευση απειλών. Έτσι, αυτές οι εφαρμογές είναι πιθανό να βρεθούν στις εταιρείες που θα μπορούσαν να επωφεληθούν από αυτήν την καινοτομία.
(αυτή η λίστα δεν περιλαμβάνει εταιρείες chip με ισχυρό δυναμικό σε οσφρητικά chips και αισθητήρες, αλλά του οποίου το μεγαλύτερο μέρος των εσόδων θα παραμείνει κυρίως οδηγούμενο από “κλασικούς” υπολογιστικούς chips, όπως για παράδειγμα το νευρομορφικό chip της Intel ή το chip SyNAPSE της IBM – Scalable energy-efficient neuro synaptic computing).

1. BrainChips Holdings (BRN.AX)

Αυτή η εταιρεία τεχνητής νοημοσύνης ειδικεύεται στην δημιουργία chip που μιμούνται τον ανθρώπινο εγκέφαλο μέσω Neural Network Layer Engines (NPEs).
Καταξιωμένη ως η πρώτη που εμπορευματοποιεί νευρομορφική τεχνολογία. Θεωρεί ότι είναι μπροστά από σοβαρές ανταγωνίστριες όπως η IBM και η Intel chips, χάρη στην εκμάθηση στο chip, τυποποιημένη ML ροή εργασίας & συνελικτική στο chip.
Επιπλέον, επικεντρώνεται στις εφαρμογές όρασης, ήχου, οσφρήσεως και έξυπνων μετατροπέων.

Source: BrainChip