Computación
Chips Olfatorios Biomiméticos: ¿Son la Inteligencia Artificial y los Narices Electrónicos el Próximo Canario en una Mina de Carbón?
Las Dificultades de la Olfacción Artificial
Aunque la visión por máquina ha logrado un progreso tremendo en los últimos años, otros sentidos artificiales se han quedado rezagados. Uno de ellos es el sentido de la olfacción o ‘olfato’.
Esto se debe a que hace tiempo sabemos cómo obtener una señal eléctrica precisa en respuesta a la luz, algo que se ha utilizado a gran escala desde las primeras cámaras digitales. En contraste, el olfato es esencialmente la detección de sustancias químicas volátiles.
Esto es mucho más difícil por varias razones:
- Los compuestos odoríferos rara vez son “puros”. En su lugar están presentes en mezclas complejas que pueden complicar su detección.
- El umbral de detección necesario para igualar el sentido del olfato humano o animal es muy bajo, detectando concentraciones generalmente en el rango de ppm (partes por millón, o 0,0001%).
- La miniaturización es esencial para la mayoría de las aplicaciones, requiriendo tanto chips avanzados como bajo consumo de energía.
- Cualquier detección basada en una reacción química requerirá cambios regulares de los catalizadores o químicos usados en el sensor.
Por todas estas razones, la mayoría de la detección digital química/olfatoria está actualmente limitada a unos pocos compuestos químicos. Y generalmente solo se usa en entornos industriales donde se espera que los químicos peligrosos a detectar provengan de accidentes o fugas, por ejemplo, monóxido de carbono, ozono, cloro, etc.
Esto podría cambiar gracias al desarrollo de chips olfatorios biomiméticos por investigadores del equipo del Prof. Fan Zhiyong, Profesor Titular en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST).
Fuente: HKUST
Chips Olfatorios Biomiméticos
¿Cómo Funciona el Olfato?
La forma en que funciona el sentido del olfato en animales y humanos es a través de una serie de “detectores químicos” llamados receptores olfatorios, capaces de detectar con alta sensibilidad una amplia gama de químicos volátiles.
El número de genes que codifican dichos receptores olfatorios puede variar de 300 a 1.200 dependiendo de la especie y de cuán importante sea el sentido del olfato para ella.
Así, en lugar de tener un receptor para cada posible molécula química, cada compuesto tendrá una “huella” única producida al activar cada uno de estos receptores de manera ligeramente diferente. Los bulbos olfatorios luego ensamblan esta señal compleja en una señal nerviosa y la interpretan mediante una parte del cerebro llamada complejo olfatorio.
Construcción de Chips Olfatorios
Los investigadores de HKUST han creado una forma de replicar este sistema, eludiendo las limitaciones de construir un receptor miniaturizado para cada posible compuesto químico.
Ensamblaron matrices de sensores de nanotubos sobre un sustrato nanoporous, alcanzando hasta 10.000 sensores de gas individualmente direccionables por chip.
Estos datos son luego procesados por un algoritmo de red neuronal para traducirse en una “percepción” de un olor digital químico específico.
Fuente: HKUST
Potencial de los Chips Olfatorios
Este diseño brinda a los chips olfatorios el potencial de detectar simultáneamente tanto la presencia como la concentración de una docena o más de químicos a la vez.
Como demostración, el equipo creó un chip olfatorio biomimético que mostró una sensibilidad excepcional a varios gases, y con una excelente capacidad de distinción para gases mezclados y 24 olores distintos.
Luego integraron tanto el chip olfatorio como sensores de visión en un perro robot, creando un sistema combinado olfatorio y visual que puede identificar con precisión objetos en cajas ciegas, prácticamente como un “perro real”.
Fuente: HKUST
Aplicaciones de los Chips Olfatorios
Seguridad
La aplicación más inmediata de los chips olfatorios es donde actualmente se usan la mayoría de los detectores químicos: aplicaciones de seguridad. Esto incluye fábricas, estaciones de tratamiento de agua, industrias petroquímicas, detección de fugas en tuberías y monitoreo ambiental (contaminación del aire, etc.).
Estos nuevos tipos de detectores podrían detectar más químicos a la vez que las tecnologías anteriores, permitiendo un flujo de datos mayor y una mejor evaluación de la seguridad.
Defensa y Seguridad
Como lo demuestra el prototipo de perro robot, dicho sistema de detección podría usarse para detectar amenazas invisibles de otro modo. Desde el contrabando de drogas hasta la detección de explosivos, toda actividad donde se utilizan perros rastreadores podría sistematizarse, gracias a la fusión de IA, robótica autónoma y chips olfatorios.
La búsqueda y rescate también podría beneficiarse de los chips olfatorios para encontrar sobrevivientes bajo edificios destruidos tras una catástrofe natural.
Alimentación y Agricultura
Una razón por la que la mayoría de los animales tienen un sentido del olfato desarrollado es para detectar si un alimento es comestible o está estropeado. Podemos imaginar que chips olfatorios muy sensibles especializados en productos alimenticios podrían ser muy útiles para la industria alimentaria.
De manera similar, los drones agrícolas también podrían usarse para percibir la maduración de frutas, la presencia de enfermedades fúngicas en los cultivos, feromonas de insectos, etc.
Detección de Cáncer y Enfermedades
Se sabe desde hace tiempo que algunas enfermedades están asociadas con la emisión de olores específicos. Los datos anecdóticos de gatos o perros capaces de detectar cáncer ahora se han demostrado más que simples mitos urbanos mediante el uso de sensores artificiales.
Most notably, several cancers have started to be detected through these methods, con la “nariz electrónica” capaz de hacerlo con un 95% de precisión.
Los hallazgos sugieren que la herramienta desarrollada por Penn — que utiliza inteligencia artificial y aprendizaje automático para descifrar la mezcla de compuestos orgánicos volátiles (COV) emitidos por células en muestras de plasma sanguíneo — podría servir como un enfoque no invasivo para detectar cánceres más difíciles de identificar, como el pancreático y el ovárico.
También vemos a empresas como BrainChip usando detección olfatoria digital para detectar bacterias en muestras de sangre.
Es probable que cuanto más sensibles se vuelvan los chips olfatorios y capaces de detectar docenas o cientos de compuestos a la vez, más descubrimientos de este tipo podrían usarse para diagnóstico, no solo de cáncer sino de muchas otras enfermedades, especialmente metabólicas.
Contrario a la versión actual, podría lograr esto solo a partir del olor de nuestra piel o aliento, sin siquiera necesitar una muestra de sangre.
Smartphones y Electrónicos
Como un sistema puramente basado en silicio, los chips olfatorios podrían integrarse en nuestras omnipresentes pequeñas herramientas electrónicas como el smartphone.
Podría ser útil para monitorear constantemente y detectar automáticamente amenazas como monóxido de carbono, humo o fugas de gas, o evaluar la seguridad de los alimentos.
También podríamos imaginar aplicaciones más triviales pero igualmente potencialmente útiles y populares, como ayudar al cocinar, reconocer especias, etc.
A largo plazo, si se combina con un “generador de olores”, incluso podría permitir la transferencia digital de olores (preferiblemente agradables) entre teléfonos.
Adquiriendo Nuevos Sentidos
Otra aplicación más distante en el futuro, pero no imposible, sería integrar dicha capacidad de chips olfatorios en el cuerpo humano.
Especialmente considerando el rápido progreso de las interfaces humano-máquina, como, por ejemplo, Neuralink de Elon Musk.
Podríamos imaginar fácilmente que tal sensor se integre en nuestros cuerpos y nos dé advertencias sobre químicos nocivos a niveles por debajo de lo que es biológicamente posible. O para químicos que no podemos detectar de forma natural.
“En el futuro, con el desarrollo de materiales biocompatibles adecuados, esperamos que el chip olfatorio biomimético también pueda colocarse en el cuerpo humano para permitirnos oler olores que normalmente no pueden percibirse.
También puede monitorizar las anomalías en las moléculas orgánicas volátiles en nuestro aliento y emitidas por nuestra piel, para advertirnos sobre posibles enfermedades, alcanzando un mayor potencial de la ingeniería biomimética,”
Prof. Fan Zhiyong
Empresas de Chips Olfatorios
El potencial de los chips olfatorios probablemente se limitará en los primeros años a aplicaciones “serias” con casos de uso claros, desde diagnósticos de enfermedades hasta detección de amenazas. Por lo tanto, estas aplicaciones son donde probablemente encontraremos empresas que podrían beneficiarse de esta innovación.
(esta lista no incluyó a compañías de chips con gran potencial en chips y sensores olfatorios, pero cuya mayor parte de los ingresos probablemente seguirá estando impulsada por chips de cómputo “clásicos”, como por ejemplo el chip neuromórfico de Intel o SyNAPSE de IBM – Chip de computación neuro‑sináptica escalable y energéticamente eficiente).
1. BrainChips Holdings (BRN.AX)
Esta empresa de inteligencia artificial se especializa en crear chips que imitan el cerebro humano mediante Neural Network Layer Engines (NPEs).
Asegura ser la primera en comercializar tecnología neuromórfica. También se considera por delante de competidores serios como los chips de IBM e Intel, gracias al aprendizaje en chip, flujo de trabajo ML estándar y convolución en chip.
Se centra en aplicaciones de visión, audio, olfato y transductores inteligentes.
Fuente: BrainChip
Esto convierte a la empresa en una muy buena candidata para beneficiarse del progreso en los chips olfatorios. Podría licenciar directamente el descubrimiento de HKUST, intentar replicarlo, o ver sus propios chips convertirse en una parte clave del hardware necesario para interpretar los datos de la matriz de sensores de nanotubos.
La empresa ve un mercado potencial masivo para sus productos, incluyendo capacidades de visión artificial y olfato.
Fuente: BrainChip
BrainChip tiene un modelo de negocio de IP de alto margen, donde licencia su tecnología a cambio de una tarifa inicial y flujos de regalías, y luego se asocia con integradores de sistemas para crear el producto final.
2. Honeywell
(HON )
Honeywell es un líder en detección y sensores, con una presencia fuerte o dominante en industrias como la automatización de edificios, la aeroespacial y la seguridad (muchas de sus actividades aeroespaciales y de edificios están vinculadas a tecnologías de sensores).
Como líder reconocido en sensores y monitoreo, podría estar en una posición privilegiada para comercializar y ampliar el alcance de los detectores de gases desde su estado actual limitado (pero ya lucrativo) a una herramienta omnipresente.
Fuente: Honeywell
Honeywell también está a la vanguardia de otras innovaciones tecnológicas, destacando la computación cuántica a través de su propiedad del 54% de Quantinuum y un sector de negocio que discutimos en nuestro artículo “The Current State of Quantum Computing”.
También está activo en la Impresión de Metal Líquido, algo que discutimos en \”Liquid Metal Printing May Become a ‘Productive Force in the Landscape of Manufacturing and Design\”.
Honeywell ya es una empresa enorme en el sector de sensores y automatización, con metas ambiciosas en una amplia gama de tecnologías innovadoras.
Así que, incluso si los chips olfatorios biomiméticos pudieran ser un competidor a corto plazo, es probable que pueda adaptarse y beneficiarse del crecimiento del mercado de sensores olfatorios, ya sea a través de su propia I&D o mediante la adquisición de empresas más pequeñas.
