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

La vision artificielle a beaucoup progressé ces dernières années, mais d’autres sens artificiels restent moins développés. C’est notamment le cas de l’olfaction, c’est-à-dire la détection des odeurs.

C’est parce que 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 consiste essentiellement à détecter des substances chimiques volatiles.

Cette tâche est plus difficile pour plusieurs raisons :

• Les composés odorants sont rarement « purs ». Ils sont plutôt présents dans des mélanges complexes qui peuvent compliquer leur détection.
• Les seuils olfactifs peuvent être très bas et varient fortement selon la substance et l’espèce. Certaines détections se mesurent en ppm, ou parties par million, voire à des concentrations inférieures. Une ppm correspond à 0,0001 %.
• La miniaturisation est essentielle pour la plupart des applications, nécessitant à la fois des puces avancées et une faible consommation d’énergie.
• Certains capteurs chimiques nécessitent le remplacement périodique de réactifs ou un réétalonnage. Toutefois, toutes les technologies de détection ne consomment pas un catalyseur ou un réactif à chaque mesure.

Pour ces raisons, de nombreux détecteurs sont conçus pour une ou quelques substances précises, plutôt que pour reconnaître des mélanges complexes. Ils servent notamment à détecter des fuites ou des gaz dangereux, comme le monoxyde de carbone, l’ozone ou le chlore, dans l’industrie et dans d’autres environnements.

Les puces olfactives biomimétiques développées par l’équipe du professeur Fan Zhiyong, à l’Université des sciences et technologies de Hong Kong (HKUST), pourraient élargir ces possibilités.

Source: HKUST

Puces olfactives biomimétiques

Comment fonctionne l’odorat ?

Chez l’être humain et les autres animaux, l’odorat repose sur un ensemble de récepteurs olfactifs capables de réagir à différentes molécules volatiles.

Le nombre de gènes codant ces récepteurs varie selon les espèces. L’ordre de grandeur de 300 à 1 200 souvent cité ne constitue pas une limite universelle et dépend notamment de la distinction entre gènes fonctionnels et pseudogènes.

Il n’existe donc pas nécessairement un récepteur unique pour chaque molécule. Une substance active une combinaison de récepteurs, formant un motif de réponse. Les signaux sont ensuite traités dans les bulbes olfactifs et dans plusieurs régions du cerveau pour permettre la reconnaissance des odeurs.

Construire des puces olfactives

Les chercheurs de HKUST ont conçu un système inspiré de ce fonctionnement, sans devoir fabriquer un capteur spécifique pour chaque composé chimique possible.

Ils ont intégré des réseaux de capteurs à nanotubes sur des substrats nanoporeux, avec jusqu’à 10 000 capteurs de gaz adressables individuellement par puce.

Les motifs de réponse des capteurs sont ensuite analysés par un réseau de neurones afin d’identifier les gaz ou les odeurs appris par le système.

Source: HKUST

Potentiel des puces olfactives

Cette architecture vise à reconnaître plusieurs constituants d’un mélange et à estimer leurs concentrations. Ses capacités dépendent des substances et des mélanges utilisés pour l’entraînement et la validation.

Dans leurs démonstrations, les chercheurs ont distingué différents gaz, des mélanges gazeux et 24 odeurs. Ces résultats décrivent les conditions testées et ne signifient pas que la puce reconnaît déjà toutes les odeurs possibles.

Ils ont également associé la puce à des capteurs visuels sur un robot quadrupède. Ce système combinant olfaction et vision a permis d’identifier des objets dans des boîtes au cours d’une démonstration, sans pour autant reproduire toutes les capacités d’un chien.

Source: HKUST

Applications des puces olfactives

Sécurité

Les applications les plus immédiates concernent la sécurité : usines, stations de traitement de l’eau, pétrochimie, détection de fuites dans les canalisations et surveillance environnementale, notamment de la pollution atmosphérique.

La détection simultanée de plusieurs substances pourrait fournir des informations plus riches pour évaluer les risques. Elle devra toutefois être validée pour chaque usage et dans des conditions réelles.

Défense et sécurité

Un système combinant intelligence artificielle, robotique autonome et capteurs olfactifs pourrait aider à détecter certaines menaces invisibles, comme des explosifs ou des stupéfiants. Ces applications restent à développer et à valider : la démonstration du robot ne prouve pas qu’il peut remplacer un chien spécialisé dans toutes ses missions.

La recherche et le sauvetage pourraient aussi bénéficier de capteurs olfactifs pour repérer des survivants sous des décombres après une catastrophe.

Alimentation et agriculture

L’odorat aide de nombreux animaux à reconnaître les aliments et à repérer leur altération. Des capteurs spécialisés pourraient ainsi contribuer au contrôle de la fraîcheur et de la qualité dans l’industrie alimentaire.

En agriculture, des capteurs embarqués sur des drones pourraient également servir à étudier la maturation des fruits, certaines maladies fongiques des cultures ou les phéromones d’insectes.

Détection du cancer et des maladies

Certaines maladies modifient les composés volatils émis par l’organisme. Des recherches sur les animaux détecteurs et sur les capteurs artificiels explorent ces signatures, mais cela ne signifie pas qu’un diagnostic fiable de toute maladie par l’odeur soit déjà disponible.

Une étude préliminaire de Penn Medicine, annoncée en 2021, portait sur 93 patients. Le système a distingué les échantillons associés au cancer de l’ovaire avec une exactitude de 95 %, et ceux associés au cancer du pancréas avec une exactitude de 90 %. Ces résultats ne constituent pas un taux de réussite universel d’un test de dépistage validé en population générale.

Selon Penn Medicine, l’analyse par intelligence artificielle des composés organiques volatils provenant d’échantillons de plasma sanguin pourrait contribuer au développement d’un outil de dépistage. Il s’agissait d’une recherche préliminaire nécessitant un prélèvement sanguin et une validation clinique supplémentaire.

Penn Medicine News

BrainChip (BRN.AX ) a également publié des recherches sur l’utilisation d’un système de nez électronique et d’un traitement neuromorphique pour identifier des bactéries à partir de données d’échantillons sanguins. Ce travail ne doit pas être confondu avec un diagnostic clinique déjà validé.

Des capteurs plus sensibles, capables d’analyser de nombreux composés, pourraient ouvrir de nouvelles pistes diagnostiques, notamment pour les maladies métaboliques. Chaque application devra démontrer sa fiabilité, sa sensibilité et sa spécificité cliniques.

À plus long terme, certains systèmes pourraient analyser l’haleine ou les émissions cutanées sans prise de sang. Cette possibilité reste distincte de la méthode de Penn Medicine décrite ci-dessus.

Smartphones et électronique

La miniaturisation et l’intégration à l’électronique pourraient permettre d’installer de tels capteurs dans des appareils portables, notamment des smartphones. Il ne s’agit pas d’un dispositif composé uniquement de silicium : les matériaux sensibles aux gaz jouent aussi un rôle essentiel.

Des appareils adaptés pourraient surveiller certains gaz ou signes d’altération alimentaire. Ils ne pourraient toutefois assurer une fonction de sécurité qu’après validation et certification pour les dangers concernés.

Des usages plus quotidiens sont également envisageables, comme l’aide en cuisine ou la reconnaissance de certaines épices.

À plus long terme, un capteur associé à un dispositif capable de reproduire des odeurs pourrait permettre d’en transmettre une représentation numérique entre appareils. La détection seule ne suffit pas à générer une odeur à distance.

Acquérir de nouveaux sens

Une autre perspective, plus lointaine, serait de porter de tels capteurs sur le corps, voire de les associer à une interface avec l’utilisateur.

Les progrès des interfaces entre l’être humain et la machine, notamment ceux explorés par Neuralink, alimentent ces réflexions. Ils ne démontrent pas encore la faisabilité d’un implant olfactif fondé sur cette puce.

Un capteur porté sur le corps pourrait, par exemple, avertir de la présence de substances à des concentrations trop faibles pour notre nez ou de composés que nous ne percevons pas naturellement.

Le professeur Fan Zhiyong envisage qu’avec des matériaux biocompatibles adaptés, ces puces puissent un jour être portées sur le corps et signaler des substances normalement imperceptibles.

Il évoque aussi la possibilité de surveiller des variations de composés volatils dans l’haleine ou les émissions cutanées afin de repérer d’éventuels signes de maladie. Il s’agit d’une perspective de recherche, et non d’une capacité médicale déjà établie.

Professeur Fan Zhiyong

Entreprises de puces olfactives

Les premières applications commerciales pourraient concerner des besoins clairement définis, comme la surveillance de gaz dangereux ou certains outils d’analyse médicale. Les entreprises actives dans ces domaines pourraient bénéficier des progrès, sous réserve de leur réussite technique et commerciale.

Cette sélection n’inclut pas les grands fabricants dont l’activité resterait principalement liée à l’informatique générale, même s’ils explorent l’olfaction artificielle. C’est notamment le cas de la puce neuromorphique d’Intel (INTC ) et du programme SyNAPSE d’IBM, consacré au calcul neurosynaptique évolutif et économe en énergie.

1. BrainChip Holdings (BRN.AX)

Cette entreprise d’intelligence artificielle développe des processeurs neuromorphiques inspirés du traitement de l’information dans le cerveau. Ils peuvent analyser des données de capteurs au moyen de réseaux de neurones.

BrainChip présente sa technologie Akida comme une solution neuromorphique commerciale. Elle met en avant l’apprentissage local sur la puce, la compatibilité avec des outils courants d’apprentissage automatique et le traitement économe en énergie. Ces arguments commerciaux ne prouvent pas une supériorité générale sur toutes les solutions d’IBM ou d’Intel.

Ses applications visées comprennent la vision, l’audio, l’analyse olfactive et le traitement de données de capteurs intelligents.

Source: BrainChip

BrainChip pourrait bénéficier du développement des capteurs olfactifs en fournissant le traitement nécessaire à l’analyse de leurs signaux. Aucun accord de licence portant sur la découverte de HKUST n’est établi ici : cette possibilité ne doit pas être présentée comme un partenariat existant.

La société estime que ses produits disposent d’un marché potentiel important, notamment dans la vision artificielle et l’analyse olfactive.

Source: BrainChip

BrainChip commercialise notamment sa propriété intellectuelle sous licence, avec des paiements initiaux et des redevances. Elle collabore avec des intégrateurs pour incorporer sa technologie aux produits finaux. Les marges et les revenus effectivement obtenus dépendent des contrats et des volumes vendus.

2. Honeywell

Honeywell est un acteur important des capteurs et de la détection, présent notamment dans l’automatisation des bâtiments, l’aérospatiale et la sécurité. De nombreuses activités du groupe utilisent ces technologies.

Son expérience de la surveillance et des capteurs pourrait l’aider à développer de nouvelles applications de détection gazeuse. Cela ne garantit pas qu’elle commercialisera la technologie particulière de HKUST.

Source: Honeywell

Honeywell intervient aussi dans l’informatique quantique par sa participation dans Quantinuum, dont elle détenait environ 54 % lors de sa création en 2021. Nous avons présenté ce secteur dans “L’état actuel de l’informatique quantique”.

Les innovations de fabrication constituent un autre sujet connexe, abordé dans notre article “L’impression de métal liquide pourrait transformer la fabrication et le design”. Ce lien ne démontre pas que Honeywell commercialise cette technique particulière.

Honeywell possède déjà d’importantes activités dans les capteurs et l’automatisation, ainsi que des projets dans plusieurs autres domaines technologiques.

Les puces olfactives biomimétiques pourraient concurrencer certaines technologies existantes tout en créant de nouveaux marchés. Honeywell pourrait chercher à s’y adapter par sa recherche interne ou par des acquisitions, mais les résultats commerciaux restent incertains.