Biomimeettiset hajuaistipiirit: Ovatko tekoäly ja e‑näät seuraava kanarialuola?

Keinotekoisen hajuaistin haasteet

While machine vision has made tremendous progress in the last few years, other artificial senses have lagged behind. One of them is the sense of olfaction or ‘smell’.

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

This is a lot more difficult for a few reasons:

• Hajuaineet eivät ole harvoin “puhdasta”. 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 kemiallisesta reaktiosta perustuva havaitseminen edellyttää säännöllistä katalyyttien tai sensorissa käytettävien kemikaalien vaihtoa.

For all these reasons, most chemical / olfactory digital detection is currently limited to a few chemical compounds. And generally only used in an industrial setting where the dangerous chemicals to be detected are expected to come from accidents or leaks, for example, carbon monoxide, ozone, chlorine, etc.

Näiden syiden takia suurin osa kemiallisesta / hajuaistin digitaalisesta havaitsemisesta on tällä hetkellä rajoittunut muutamaan kemialliseen yhdisteeseen. Sitä käytetään yleisesti teollisessa ympäristössä, jossa vaaralliset havaitsevat kemikaalit odotetaan tulevan onnettomuuksista tai vuodoista, esimerkiksi hiilimonoksidi, otsoni, kloori ym.

This could change thanks to the development of biomimetic olfactory chips by researchers on the team of Prof. Fan Zhiyong, Chair Professor at the Hong Kong University of Science and Technology (HKUST).

Lähde: HKUST

Biomimeettiset hajuaistipiirit

Miten haju toimii?

The way the sense of smell works in animals & humans is through an array of “chemical detectors” called olfactory receptors, able to detect with high sensitivity a wide range of volatile chemicals.

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

The number of genes coding for such olfactory receptors can vary from 300 to 1,200 depending on the species and how important the sense of smell is for it.

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

HKUST researchers have created a way to replicate this system, bypassing the constraints of building a miniaturized receptor for each possible chemical compound.

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

They assembled nanotube sensor arrays on a nanoporous substrate, reaching up to 10,000 individually addressable gas sensors per chip.

He rakensivat nanotuuletunnistinarrayt nanoporosaiselle alustoille, saavuttaen jopa 10 000 yksilöllisesti osoitettavaa kaasusensoria per piiri.

This data is then processed by a neural network algorithm to be translated into a “perception” of a specific chemical digital smell.

Nämä tiedot käsitellään sitten neuroverkkialgoritmilla, joka muuntaa ne tietyn kemiallisen digitaalisen hajun “havaitsemiseksi”.

Lähde: HKUST

Hajuaistipiirien potentiaali

This design gives the olfactory chips the potential to simultaneously detect both the presence and concentration of a dozen or more chemicals at once.

Tämä suunnittelu antaa hajuaistipiireille mahdollisuuden havaita samanaikaisesti sekä läsnäolo että pitoisuus kymmenestä tai useammasta kemikaalista kerralla.

As a demonstration, the team created a biomimetic olfactory chip that demonstrated exceptional sensitivity to various gases, and with excellent distinguishability for mixed gases and 24 distinct odors.

Demonaationa tiimi loi biomimeettisen hajuaistipiirin, joka osoitti poikkeuksellista herkkyyttä erilaisille kaasuilla, sekä erinomaista erottelukykyä sekoitetuille kaasuilla ja 24:lle erilliselle hajulle.

They then integrated both the olfactory chip and vision sensors on a robot dog, creating a combined olfactory and visual system that can accurately identify objects in blind boxes, pretty much like a “real dog”.

He integroiduivat sitten sekä hajuaistipiirin että näköanturit robottikoiraan, luoden yhdistetyn hajuaisti- ja näköjärjestelmän, joka pystyy tarkasti tunnistamaan esineitä sokeissa laatikoissa, melkein kuin “todellinen koira”.

Lähde: HKUST

Hajuaistipiirien sovellukset

Turvallisuus

The most immediate application of olfactory chips is where most chemical detectors are currently used: safety applications. This includes factories, water treatment stations, petrochemical industries, pipe leak detection, and environmental monitoring (air pollution, etc.).

Eniten välitön sovellus hajuaistipiireille on se, missä suurin osa kemiallisista detektoreista tällä hetkellä käytetään: turvallisuussovellukset. Tämä sisältää tehtaat, vesikäsittelyasemat, petrokemialliset teollisuudet, putkivuotojen havaitsemisen ja ympäristön seurannan (ilman saasteet ym.).

These new types of detectors could detect more chemicals at once than previous technologies, allowing for a larger data stream and better assessment of safety.

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

Puolustus ja turvallisuus

As demonstrated by the robodog prototype, such a detection system could be used to detect otherwise invisible threats. From drug smuggling to detection of explosives, every activity where sniffer dogs are used could be systematized, thanks to the merger of AI, autonomous robotics, and olfactory chips.

Kuten robottikoira‑prototyyppi osoitti, tällainen havaitsemisjärjestelmä voitaisiin käyttää havaitsemaan muuten näkymättömiä uhkia. Huumeiden salakuljetuksesta räjähteiden havaitsemiseen, kaikki toiminnot, joissa hajuaistikoiria käytetään, voitaisiin järjestelmällistää tekoälyn, autonomisten robottien ja hajuaistipiirien yhdistämisen ansiosta.

Search and rescue could also benefit from olfactory chips to find survivors under destroyed buildings after a natural catastrophe.

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

Ruoan ja maatalouden

One reason why most animals have a developed sense of smell is to detect if a food is edible or spoiled. We can imagine that very sensitive olfactory chips specialized in food products could be very useful for the food industry.

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.

Similarly, farming drones could also be used to smell the ripening of fruit, the presence of fungal crop diseases, insect pheromones, etc.

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

Syövän ja tautien havaitseminen

It has been known for a while now that some diseases are associated with the emission of specific smells. Anecdotal data of cats or dogs able to detect cancer have now been proven more than just urban myths through the use of artificial sensors.

On tiedossa jo jonkin aikaa, että jotkut sairaudet liittyvät tiettyjen hajujen vapautumiseen. Kissojen tai koirien kyky havaita syöpä on nyt todistettu enemmän kuin pelkkinä kaupunkimyyteinä tekoälyanturien avulla.

Most notably, several cancers have started to be detected through these methods, with the “electronic nose” able to do so with a 95% accuracy.

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

We also see companies like BrainChip using digital olfactory detection to detect bacteria in blood samples.

Näemme myös yrityksiä kuten BrainChip käyttävän digitaalista hajuaistintunnistusta bakteerien havaitsemiseen verinäytteissä.

It is likely that the more olfactory chips become sensitive and able to detect dozens or hundreds of compounds at once, the more such discoveries could be used for diagnosis, not just of cancer but of many other diseases, especially metabolic diseases.

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.

Contrary to the current version, it could maybe achieve this only from the smell of our skin or breath, not even needing a blood sample.

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

Älypuhelimet ja elektroniikka

As a purely silicon-based system, olfactory chips could be integrated into our omnipresent small electronic tools like the smartphone.

Puhtaasti piisirunkoon perustuvana järjestelmänä hajuaistipiirit voitaisiin integroida kaikkialle läsnä oleviin pieniin elektronisiin laitteisiin, kuten älypuhelimeen.

It could be useful to constantly monitor and automatically detect threats like carbon monoxide, smoke, or gas leaks or judge the safety of food.

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

We could also imagine more trivial but nevertheless potentially useful and popular applications, like helping while cooking, recognizing spices, etc.

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

In the longer run, if coupled with a “smell generator”, it could even enable the digital transfer of (preferably good) smells between phones.

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

Uusien aistien hankkiminen

Another more distant in the future, but not impossible application would be to integrate such olfactory chips capability into the human body.

Toinen tulevaisuudessa kauempana, mutta ei mahdoton sovellus, olisi tällaisen hajuaistipiirin kyvyn integroiminen ihmisen kehoon.

Especially considering the quick progress of human-machine interfaces, like, for example, Elon Musk’s Neuralink.

Erityisesti ottaen huomioon ihmisen ja koneen välisten rajapintojen nopean kehityksen, kuten esimerkiksi Elon Muskin Neuralink.

We could easily imagine such a sensor being integrated into our bodies and giving us warnings about harmful chemicals at levels below what is biologically possible. Or for chemicals we are completely unable to detect naturally.

Voimme helposti kuvitella tällaisen anturin integroitavan kehoomme ja antavan varoituksia haitallisista kemikaaleista tasoilla, jotka ovat biologisesti mahdollisia. Tai kemikaaleista, joita emme pysty havaitsemaan luonnollisesti.

“Futureissa, 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

The potential of olfactory chips is likely to be confined in the first years to “serious” applications with clear use cases, from disease diagnostics to threat detection. So these applications are most likely where we can find companies that could benefit from this innovation.

(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)

This artificial intelligence company specializes in creating chips that mimic the human brain through Neural Network Layer Engines (NPEs).

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

It claims to be the first to commercialize neuromorphic technology. It also sees itself as ahead of serious competitors like IBM and Intel (INTC ) chips, thanks to on-chip learning, standard ML workflow & on-chip convolution.

Se väittää olevansa ensimmäinen, joka kaupallistaa neuromorfista teknologiaa. Se näkee myös itsensä edellä vakavien kilpailijoiden, kuten IBM:n ja Intelin piirejen, kiitos piirin sisäisen oppimisen, standardin koneoppimistyönkulun ja piirin sisäisen konvoluution.

It is focused on vision, audio, olfactory, and smart transducer applications.

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

Lähde: BrainChip

This makes the company a very good candidate to benefit from progress in olfactory chips. It could directly license the HKUST’s discovery, try to replicate it, or see its own chips become a key part of the hardware required for interpreting the nanotube sensor array data.

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

Lähde: BrainChip

BrainChip has a high-margin IP business model, where it licenses its technology for an upfront fee and royalties streams, and then partnering with system integrators to create the final product.

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 “The Current State of Quantum Computing ”.

Se on myös aktiivinen nestemetalliprintauksessa, josta keskustelimme artikkelissa \”Liquid Metal Printing May Become a ‘Productive Force in the Landscape of Manufacturing and Design\”.

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.