Biomimeettiset hajuaistipiirit: Ovatko tekoäly ja elektroniset nenät seuraava kaivoksen kanarialintu?

Keinotekoisen hajuaistin haasteet

Vaikka koneellinen näkökyky on edistynyt valtavasti viime vuosina, muut keinotekoiset aistit ovat jääneet jälkeen. Yksi niistä on hajuaisti tai “haju”.

Tämä on huomattavasti vaikeampaa useista syistä:

• Hajuaineet ovat harvoin ”puhtaita”. Ne esiintyvät sen sijaan monimutkaisissa seoksissa, jotka voivat vaikeuttaa niiden havaitsemista.
• Hajuaistin tasolle vaadittava havaitsemiskynnys on erittäin alhainen, yleensä ppm‑tasolla (osa miljoonasta, eli 0,0001 %).
• Miniaturointi on välttämätöntä useimmissa sovelluksissa, mikä vaatii sekä kehittyneitä piirejä että alhaista virrankulutusta.
• Mikä tahansa kemialliseen reaktioon perustuva havaitseminen edellyttää säännöllistä katalyyttien tai sensorissa käytettävien kemikaalien vaihtoa.

Näistä syistä digitaalinen kemikaalien ja hajujen tunnistus rajoittuu nykyisin muutamiin yhdisteisiin. Sitä käytetään yleensä teollisuudessa, jossa vaarallisia kemikaaleja, kuten hiilimonoksidia, otsonia ja klooria, voi vapautua onnettomuuksissa tai vuodoissa.

Tilanne saattaa muuttua Hongkongin tiede- ja teknologiayliopiston (HKUST) professori Fan Zhiyongin tutkimusryhmän kehittämien biomimeettisten hajuaistipiirien ansiosta.

Lähde: HKUST

Biomimeettiset hajuaistipiirit

Miten haju toimii?

Hajuaisti toimii eläimissä ja ihmisissä “kemiallisten detektoreiden” eli hajureseptorien avulla, jotka pystyvät havaitsemaan erittäin herkällä tavalla laajan valikoiman haihtuvia kemikaaleja.

Tällaisia hajureseptoreita koodaavien geenien määrä vaihtelee 300:sta 1 200:aan lajin ja hajuaistin merkityksen mukaan.

Sen sijaan, että olisi yksi reseptori jokaiselle mahdolliselle kemialliselle molekyylille, jokaisella yhdisteellä on ainutlaatuinen “jälki”, joka syntyy, kun nämä reseptorit aktivoidaan hieman eri tavoin. Hajuaivokuoret kokoavat tämän monimutkaisen signaalin hermosignaaliksi ja tulkitsevat sen aivojen hajukompleksin osassa.

Hajuaistipiirin rakentaminen

HKUSTin tutkijat ovat kehittäneet tavan jäljitellä tätä järjestelmää, kiertäen jokaiselle mahdolliselle kemialliselle yhdisteelle miniaturisoidun reseptorin rakentamisen rajoitukset.

Tutkijat kokosivat nanoputkianturien ryhmiä nanohuokoiselle alustalle ja saavuttivat jopa 10 000 erikseen ohjattavaa kaasuanturia piirillä.

Neuroverkkoalgoritmi käsittelee nämä tiedot ja muuntaa ne tietyn kemiallisen hajun digitaaliseksi havainnoksi.

Lähde: HKUST

Hajuaistipiirien potentiaali

Tämän rakenteen ansiosta hajuaistipiirit voivat havaita samanaikaisesti vähintään tusinan eri kemikaalin esiintymisen ja pitoisuuden.

Esittelyä varten ryhmä loi biomimeettisen hajuaistipiirin, joka havaitsi erittäin herkästi erilaisia kaasuja ja erotteli erinomaisesti kaasuseoksia sekä 24 erilaista hajua.

Tutkijat yhdistivät hajuaistipiirin ja näköanturit robottikoiraan. Tuloksena oli hajuaistia ja näköä yhdistävä järjestelmä, joka tunnistaa tarkasti näkymättömissä laatikoissa olevia esineitä lähes oikean koiran tavoin.

Lähde: HKUST

Hajuaistipiirien sovellukset

Turvallisuus

Hajuaistipiirien välittömin käyttökohde on turvallisuus, jossa useimpia kemiallisia antureita jo käytetään. Sovelluksia ovat tehtaat, vedenkäsittelylaitokset, petrokemian teollisuus, putkivuotojen havaitseminen ja ympäristön seuranta, kuten ilmansaasteiden mittaaminen.

Nämä uudet detektorityypit voisivat havaita enemmän kemikaaleja kerralla kuin aikaisemmat teknologiat, mahdollistaen suuremman datavirran ja paremman turvallisuuden arvioinnin.

Puolustus ja turvallisuus

Kuten robottikoiran prototyyppi osoitti, järjestelmällä voitaisiin havaita muuten näkymättömiä uhkia. Tekoälyn, autonomisen robotiikan ja hajuaistipiirien yhdistelmä voisi tehdä huumeiden salakuljetuksen ja räjähteiden havaitsemisesta sekä muista hajukoirien tehtävistä järjestelmällisiä.

Etsintä‑ ja pelastustoiminta voisi myös hyötyä hajuaistipiireistä löytääkseen selviytyjät tuhoutuneiden rakennusten alta luonnonkatastrofin jälkeen.

Elintarvikkeet ja maatalous

Yksi syy siihen, miksi useimmilla eläimillä on kehittynyt hajuaisti, on kyky tunnistaa, onko ruoka syötävää vai pilaantunutta. Voimme kuvitella, että erittäin herkät hajuaistipiirit, jotka on erikoistettu elintarvikkeisiin, voisivat olla erittäin hyödyllisiä elintarviketeollisuudelle.

Samoin maatalousdronet voisivat käyttää hajuaistipiirejä hedelmien kypsymisen, sienitautien läsnäolon, hyönteisten feromonien jne. havaitsemiseen.

Syövän ja tautien havaitseminen

Jo pitkään on tiedetty, että joihinkin sairauksiin liittyy tiettyjä hajuja. Keinotekoisilla antureilla on nyt osoitettu, etteivät kertomukset kissojen ja koirien kyvystä havaita syöpää ole pelkkiä kaupunkitarinoita.

Erityisesti useita syöpiä on alettu havaita näillä menetelmillä, ja ”elektroninen nenä” pystyy tähän 95 prosentin tarkkuudella.

Tulokset viittaavat siihen, että Pennin kehittämä työkalu — joka käyttää tekoälyä ja koneoppimista selvittääkseen veriplasmanäytteiden soluista vapautuvien haihtuvien orgaanisten yhdisteiden (VOC) seosta — voisi toimia ei‑invasiivisena menetelmänä vaikeasti havaittavien syöpien, kuten haiman ja munasarjojen, seulonnassa.

Penn Medicine News

Myös BrainChipin (BRN.AX ) kaltaiset yritykset käyttävät digitaalista hajuntunnistusta bakteerien havaitsemiseen verinäytteistä.

On todennäköistä, että mitä herkemmiksi hajuaistipiirit tulevat ja pystyvät havaitsemaan kymmeniä tai satoja yhdisteitä kerralla, sitä enemmän tällaisia löytöjä voitaisiin käyttää diagnoosiin, ei vain syövän, vaan monien muidenkin sairauksien, erityisesti aineenvaihduntasairauksien, osalta.

Toisin kuin nykyinen versio, se voisi mahdollisesti saavuttaa tämän pelkästään ihomme tai hengityksemme hajun perusteella, ilman verinäytettä.

Älypuhelimet ja elektroniikka

Koska hajuaistipiirit perustuvat kokonaan piihin, ne voitaisiin integroida kaikkialla käytettäviin pieniin elektronisiin laitteisiin, kuten älypuhelimiin.

Se voisi olla hyödyllinen jatkuvaan valvontaan ja automaattiseen uhkien, kuten hiilimonoksidin, savun tai kaasuvuotojen, havaitsemiseen tai ruoan turvallisuuden arviointiin.

Voimme myös kuvitella yksinkertaisempia, mutta silti potentiaalisesti hyödyllisiä ja suosittuja sovelluksia, kuten avustamista ruoanlaitossa, mausteiden tunnistamista ym.

Pidemmällä aikavälillä, jos se yhdistetään “hajugeneraattoriin”, se voisi mahdollistaa digitaalisen (mieluiten miellyttävän) hajun siirron puhelimien välillä.

Uusien aistien hankkiminen

Kaukaisempi mutta mahdollinen sovellus olisi hajuaistipiirien ominaisuuksien tuominen osaksi ihmiskehoa.

Tätä mahdollisuutta tukee erityisesti ihmisen ja koneen välisten rajapintojen nopea kehitys, josta Elon Muskin Neuralink on esimerkki.

Voimme helposti kuvitella tällaisen anturin integroitavan kehoomme ja antavan varoituksia haitallisista kemikaaleista pitoisuuksina, jotka alittavat biologisen havaintokyvyn. Tai kemikaaleista, joita emme pysty havaitsemaan luonnollisesti.

“Tulevaisuudessa, sopivien bioyhteensopivien materiaalien kehittämisen myötä toivomme, että biomimeettinen hajuaistipiiri voidaan myös sijoittaa ihmisen kehoon, jotta voimme haistaa hajut, joita normaalisti ei voida haistaa.

Se voi myös seurata hengityksessämme ja ihomme kautta vapautuvien haihtuvien orgaanisten molekyylien poikkeavuuksia, varoittaen meitä mahdollisista sairauksista, laajentaen biomimeettisen tekniikan potentiaalia,”

Prof. Fan Zhiyong

Hajuaistipiirien yritykset

Hajuaistipiirien käyttö rajoittunee ensimmäisinä vuosina selkeästi perusteltuihin sovelluksiin, kuten sairauksien diagnostiikkaan ja uhkien tunnistamiseen. Siksi innovaatiosta mahdollisesti hyötyviä yrityksiä löytyy todennäköisimmin näiltä aloilta.

(tämä luettelo ei sisällä piiriyrityksiä, joilla on vahva potentiaali hajuaistipiireissä ja -antureissa, mutta joiden suurin osa tuloista todennäköisesti pysyy perinteisten laskentapiirien, kuten esimerkiksi Intelin neuromorfinen piiri tai IBM:n SyNAPSE – skaalautuva, energiatehokas neuro‑synaptinen laskentapiiri, ohjaamana.)

1. BrainChips Holdings (BRN.AX)

Tämä tekoälyyritys on erikoistunut luomaan piirejä, jotka jäljittelevät ihmisaivoja Neuroverkkokerrosmoottorien (NPE) avulla.

Yritys kertoo kaupallistaneensa neuromorfisen teknologian ensimmäisenä. Se katsoo olevansa edellä IBM:n ja Intelin (INTC ) kaltaisia merkittäviä kilpailijoita piirillä tapahtuvan oppimisen, tavanomaisen koneoppimistyönkulun ja piirillä toteutettavan konvoluution ansiosta.

Se keskittyy näkö-, ääni-, hajuaisti- ja älykkäiden transduktorisovellusten kehittämiseen.

Lähde: BrainChip

Tämä antaa yritykselle hyvät mahdollisuudet hyötyä hajuaistipiirien kehityksestä. Se voisi lisensoida HKUSTin keksinnön, pyrkiä jäljittelemään sitä tai saada omat piirinsä keskeiseksi osaksi nanoputkianturiryhmien tietojen tulkintaan tarvittavaa laitteistoa.

Yritys näkee valtavan potentiaalisen markkinan tuotteilleen, mukaan lukien koneellinen näkö ja hajuaistikyvyt.

Lähde: BrainChip

BrainChipin liiketoimintamalli perustuu korkean katteen immateriaalioikeuksiin: se lisensoi teknologiaansa ennakkomaksua ja jatkuvia rojalteja vastaan ja tekee sitten yhteistyötä järjestelmäintegraattorien kanssa lopputuotteen luomiseksi.

2. Honeywell

Honeywell on johtava toimija havaitsemis- ja anturiteknologiassa, ja sillä on vahva tai hallitseva läsnäolo teollisuudenaloilla, kuten rakennusautomaatiossa, ilmailussa ja turvallisuudessa (monet sen ilmailu- ja rakennustoiminnat liittyvät anturiteknologioihin).

Sensorien ja valvonnan tunnustettuna johtajana se voisi olla erinomaisessa asemassa kaupallistamaan ja laajentamaan kaasudetektoreiden soveltamisaluetta nykyisestä rajoitetusta (mutta jo tuottoisasta) tilasta kaikkialle läsnäolevaksi työkaluksi.

Lähde: Honeywell

Honeywell on myös teknologisten innovaatioiden eturintamassa, erityisesti kvanttilaskenta omistuksessaan 54 % Quantunuumista ja liiketoimintasektori, josta keskustelimme artikkelissamme “Kvanttilaskennan nykytila ”.

Yritys toimii myös nestemäisen metallin tulostuksen parissa, jota käsittelimme artikkelissamme \”Nestemäisen metallin tulostuksesta voi tulla tuotantoa ja suunnittelua uudistava voima\”.

Honeywell on jo valtava yritys anturi- ja automaatiosektorilla, ja sillä on kunnianhimoisia tavoitteita laajassa valikoimassa innovatiivisia teknologioita.

Joten vaikka biomimeettiset hajuaistipiirit voisivat olla lyhyellä aikavälillä kilpailijoita, on todennäköistä, että ne pystyvät sopeutumaan ja hyödyntämään hajuaistiantureiden markkinoiden kasvua joko oman T&K:n tai pienempien yritysten hankintojen kautta.