Puces olfactives biomimétiques : L'intelligence artificielle et les nez électroniques sont-ils le prochain canari dans une mine de charbon ?

Les difficultés de l'olfaction artificielle

Si la vision artificielle a fait d'énormes progrès ces dernières années, d'autres sens artificiels sont restés à la traîne. L'un d'entre eux est le sens de l'olfaction ou "odorat".

En effet, nous savons depuis longtemps comment obtenir un signal électrique précis en réponse à la lumière, ce qui est utilisé à grande échelle depuis les premiers appareils photo numériques. En revanche, l'odorat est essentiellement la détection de substances chimiques volatiles.

C'est beaucoup plus difficile pour plusieurs raisons :

• Les substances chimiques odorantes sont rarement "pures". Ils sont plutôt présents dans des mélanges complexes qui peuvent compliquer leur détection.
• Le seuil de détection nécessaire pour égaler l'odorat humain ou animal est très bas, détectant des concentrations généralement de l'ordre du ppm (partie par million, ou 0,0001%).
• La miniaturisation est essentielle pour la plupart des applications, qui nécessitent à la fois des puces avancées et une faible consommation d'énergie.
• Toute détection basée sur une réaction chimique nécessitera des changements réguliers des catalyseurs ou des produits chimiques utilisés dans le capteur.

Pour toutes ces raisons, la plupart des détections chimiques / olfactives numériques sont actuellement limitées à quelques composés chimiques. Elle n'est généralement utilisée que dans un environnement industriel où les produits chimiques dangereux à détecter sont susceptibles de provenir d'accidents ou de fuites, par exemple le monoxyde de carbone, l'ozone, le chlore, etc.

Cela pourrait changer grâce au développement de puces olfactives biomimétiques par les chercheurs de l'équipe du professeur Fan Zhiyong, professeur titulaire de la chaire de l'université des sciences et technologies de Hong Kong (HKUST).

Source : HKUST

Puces olfactives biomimétiques

Comment fonctionne l'odorat ?

Chez les animaux et les humains, l'odorat fonctionne grâce à un ensemble de "détecteurs chimiques" appelés récepteurs olfactifs, capables de détecter avec une grande sensibilité une large gamme de substances chimiques volatiles.

Le nombre de gènes codant pour ces récepteurs olfactifs peut varier de 300 à 1200 en fonction de l'espèce et de l'importance de l'odorat.

Ainsi, au lieu d'avoir un récepteur pour chaque molécule chimique possible, chaque composé aura une "empreinte" unique produite en activant chacun de ces récepteurs de manière légèrement différente. Les bulbes olfactifs assemblent ensuite ce signal complexe en un signal nerveux et l'interprètent par une partie du cerveau appelée complexe olfactif.

Construction d'une puce olfactive

Les chercheurs de la HKUST ont créé un moyen de reproduire ce système, en contournant les contraintes liées à la construction d'un récepteur miniaturisé pour chaque composé chimique possible.

Ils ont assemblé des réseaux de capteurs à nanotubes sur un substrat nanoporeux, atteignant jusqu'à 10 000 capteurs de gaz adressables individuellement par puce.

Ces données sont ensuite traitées par un algorithme de réseau neuronal pour être traduites en une "perception" d'une odeur chimique numérique spécifique.

Source : HKUST

Potentiel des puces olfactives

Cette conception permet aux puces olfactives de détecter simultanément la présence et la concentration d'une douzaine de produits chimiques ou plus.

À titre de démonstration, l'équipe a créé une puce olfactive biomimétique qui a fait preuve d'une sensibilité exceptionnelle à divers gaz et d'une excellente capacité de distinction pour des gaz mélangés et 24 odeurs distinctes.

Ils ont ensuite intégré la puce olfactive et les capteurs de vision à un chien robot, créant ainsi un système olfactif et visuel combiné capable d'identifier avec précision des objets dans des zones aveugles, un peu comme un "vrai chien".

Source : HKUST

Applications des puces olfactives

Sécurité

L'application la plus immédiate des puces olfactives est celle où la plupart des détecteurs de produits chimiques sont actuellement utilisés : les applications de sécurité. Il s'agit notamment des usines, des stations d'épuration, des industries pétrochimiques, de la détection des fuites dans les canalisations et de la surveillance de l'environnement (pollution de l'air, etc.).

Ces nouveaux types de détecteurs pourraient détecter plus de produits chimiques à la fois que les technologies précédentes, ce qui permettrait d'obtenir un flux de données plus important et une meilleure évaluation de la sécurité.

Défense et sécurité

Comme le démontre le prototype de robodog, un tel système de détection pourrait être utilisé pour détecter des menaces autrement invisibles. De la contrebande de drogue à la détection d'explosifs, toutes les activités pour lesquelles des chiens renifleurs sont utilisés pourraient être systématisées, grâce à la fusion de l'IA, de la robotique autonome et des puces olfactives.

Les services de recherche et de sauvetage pourraient également bénéficier de puces olfactives pour trouver des survivants sous des bâtiments détruits après une catastrophe naturelle.

Alimentation et agriculture

L'une des raisons pour lesquelles la plupart des animaux ont un odorat développé est de détecter si un aliment est comestible ou avarié. On peut imaginer que des puces olfactives très sensibles, spécialisées dans les produits alimentaires, pourraient être très utiles à l'industrie alimentaire.

De même, les drones agricoles pourraient également être utilisés pour sentir la maturation des fruits, la présence de maladies fongiques, les phéromones d'insectes, etc.

Détection du cancer et des maladies

On sait depuis un certain temps que certaines maladies sont associées à l'émission d'odeurs spécifiques. L'utilisation de capteurs artificiels a permis de démontrer que les données anecdotiques concernant les chats ou les chiens capables de détecter le cancer n'étaient pas que des mythes urbains.

En particulier, plusieurs cancers ont commencé à être détectés grâce à ces méthodes, avec le "nez électronique" capable de le faire avec une précision de 95%.

Les résultats suggèrent que l'outil développé par Penn - qui utilise l'intelligence artificielle et l'apprentissage automatique pour déchiffrer le mélange de composés organiques volatils (COV) émis par les cellules dans les échantillons de plasma sanguin - pourrait servir d'approche non invasive pour le dépistage de cancers plus difficiles à détecter, tels que les cancers du pancréas et de l'ovaire.

Nouvelles de la Penn Medicine

Des entreprises comme BrainChip utilisent également la détection olfactive numérique pour détecter les bactéries dans les échantillons de sang.

Il est probable que plus les puces olfactives deviendront sensibles et capables de détecter des dizaines ou des centaines de composés à la fois, plus ces découvertes pourront être utilisées pour le diagnostic, non seulement du cancer, mais aussi de nombreuses autres maladies, en particulier les maladies métaboliques.

Contrairement à la version actuelle, il pourrait peut-être y parvenir uniquement à partir de l'odeur de notre peau ou de notre haleine, sans même avoir besoin d'un échantillon de sang.

Smartphones et électronique

En tant que système purement basé sur le silicium, les puces olfactives pourraient être intégrées dans nos petits outils électroniques omniprésents comme le smartphone.

Il pourrait être utile pour surveiller en permanence et détecter automatiquement des menaces telles que le monoxyde de carbone, la fumée ou les fuites de gaz, ou pour juger de la sécurité des aliments.

On pourrait aussi imaginer des applications plus triviales mais néanmoins potentiellement utiles et populaires, comme aider à cuisiner, reconnaître des épices, etc.

À plus long terme, s'il est associé à un "générateur d'odeurs", il pourrait même permettre le transfert numérique d'odeurs (de préférence bonnes) entre téléphones.

Acquérir de nouveaux sens

Une autre application plus lointaine, mais pas impossible, consisterait à intégrer ces puces olfactives dans le corps humain.

Surtout si l'on considère les progrès rapides des interfaces homme-machine, comme, par exemple, le Neuralink d'Elon Musk.

Nous pourrions facilement imaginer qu'un tel capteur soit intégré dans notre corps et nous avertisse de la présence de produits chimiques nocifs à des niveaux inférieurs à ce qui est biologiquement possible. Ou pour des produits chimiques que nous sommes totalement incapables de détecter naturellement.

"À l'avenir, avec le développement de matériaux biocompatibles appropriés, nous espérons que la puce olfactive biomimétique pourra également être placée sur le corps humain pour nous permettre de sentir des odeurs qui ne peuvent normalement pas être senties.

Il peut également surveiller les anomalies des molécules organiques volatiles présentes dans notre haleine et émises par notre peau, afin de nous avertir de maladies potentielles, ce qui représente un potentiel supplémentaire de l'ingénierie biomimétique".

Fan Zhiyong

Puces olfactives Entreprises

Le potentiel des puces olfactives sera probablement limité, au cours des premières années, à des applications "sérieuses" avec des cas d'utilisation clairs, allant du diagnostic des maladies à la détection des menaces. C'est donc très probablement dans ces applications que nous pourrons trouver des entreprises susceptibles de bénéficier de cette innovation.

(cette liste n'inclut pas les entreprises de puces qui ont un fort potentiel dans le domaine des puces et des capteurs olfactifs, mais dont la majeure partie du chiffre d'affaires restera probablement générée par les puces informatiques "classiques", comme par exemple La puce neuromorphique d'Intel ou SyNAPSE d'IBM - Puce de calcul neurosynaptique évolutive et économe en énergie).

1. BrainChips Holdings (BRN.AX)

Cette entreprise d'intelligence artificielle est spécialisée dans la création de puces qui imitent le cerveau humain grâce à des moteurs de couches de réseaux neuronaux (NPE).

Elle affirme être la première à commercialiser la technologie neuromorphique. Elle se considère également en avance sur des concurrents sérieux comme les puces d'IBM et d'Intel, grâce à l'apprentissage sur puce, au flux de travail ML standard et à la convolution sur puce.

Elle se concentre sur les applications de vision, d'audio, d'olfaction et de transducteurs intelligents.

Source : BrainChip

Cela fait de l'entreprise un très bon candidat pour bénéficier des progrès réalisés dans le domaine des puces olfactives. Elle pourrait accorder une licence directe sur la découverte de la HKUST, essayer de la reproduire ou voir ses propres puces devenir un élément clé du matériel nécessaire à l'interprétation des données du réseau de capteurs à nanotubes.

L'entreprise voit un marché potentiel énorme pour ses produits, y compris la vision artificielle et les capacités olfactives.

Source : BrainChip

BrainChip a un modèle commercial de propriété intellectuelle à forte marge, qui consiste à accorder des licences pour sa technologie moyennant une redevance initiale et des flux de redevances, puis à établir des partenariats avec des intégrateurs de systèmes pour créer le produit final.

2. Honeywell

Honeywell est un leader dans le domaine de la détection et des capteurs, avec une présence forte ou dominante dans des secteurs tels que l'automatisation des bâtiments, l'aérospatiale et la sécurité (nombre de ses activités dans l'aérospatiale et le bâtiment sont liées aux technologies des capteurs).

En tant que leader reconnu dans le domaine des capteurs et de la surveillance, elle pourrait se trouver dans une position privilégiée pour commercialiser et étendre le champ d'application des détecteurs de gaz, qui sont actuellement limités (mais déjà lucratifs), et en faire un outil omniprésent.

Source : Honeywell

Honeywell est également à la pointe d'autres innovations technologiques, notamment l'informatique quantique grâce à sa propriété de 54% de Quantunuum et un secteur d'activité dont nous avons parlé dans notre article "L'état actuel de l'informatique quantique".

Elle est également active dans le domaine de l'impression sur métal liquide, un sujet que nous avons abordé dans "L'impression sur métal liquide pourrait devenir une "force productive dans le paysage de la fabrication et de la conception".

Honeywell est déjà une entreprise de grande envergure dans le secteur des capteurs et de l'automatisation, avec des objectifs ambitieux dans un large éventail de technologies innovantes.

Ainsi, même si les puces olfactives biomimétiques pourraient constituer un concurrent à court terme, il est probable qu'elles sauront s'adapter et profiter de la croissance du marché des capteurs olfactifs, soit par leur propre R&D, soit par l'acquisition d'entreprises plus petites.