Biomimetic Olfactory Chips: Apakah Kecerdasan Buatan dan E-Nose Menjadi Burung Kenari Berikutnya di Tambang Batu Bara?

Kesulitan Olfaksi Buatan

Sementara visi mesin telah membuat kemajuan luar biasa dalam beberapa tahun terakhir, indera buatan lainnya tertinggal. Salah satunya adalah indera olfaksi atau “bau”.

Hal ini karena kita telah lama mengetahui cara mendapatkan sinyal listrik yang tepat sebagai respons terhadap cahaya, sesuatu yang telah digunakan secara luas sejak kamera digital pertama. Sebaliknya, bau pada dasarnya adalah deteksi zat kimia volatil.

Ini jauh lebih sulit karena beberapa alasan:

• Zat kimia pengharum jarang “murni”. Mereka biasanya hadir dalam campuran kompleks yang dapat menyulitkan deteksi.
• Ambang deteksi yang diperlukan untuk menyamai indera penciuman manusia atau hewan sangat rendah, biasanya dalam kisaran ppm (bagian per juta, atau 0,0001%).
• Miniaturisasi penting untuk kebanyakan aplikasi, memerlukan chip canggih dan konsumsi daya rendah.
• Setiap deteksi yang berbasis reaksi kimia akan memerlukan pergantian rutin katalis atau bahan kimia yang digunakan dalam sensor.

Untuk semua alasan ini, sebagian besar deteksi digital kimia / olfaksi saat ini terbatas pada beberapa senyawa kimia. Dan umumnya hanya digunakan dalam lingkungan industri di mana bahan kimia berbahaya yang akan dideteksi diharapkan berasal dari kecelakaan atau kebocoran, misalnya karbon monoksida, ozon, klorin, dll.

Hal ini dapat berubah berkat pengembangan chip olfaktori biomimetik oleh peneliti tim Prof. Fan Zhiyong, Chair Professor di Hong Kong University of Science and Technology (HKUST).

Sumber: HKUST

Chip Olfaktori Biomimetik

Bagaimana Bau Bekerja?

Cara kerja indera penciuman pada hewan & manusia melalui serangkaian “detektor kimia” yang disebut reseptor olfaktori, yang dapat mendeteksi dengan sensitivitas tinggi beragam zat kimia volatil.

Jumlah gen yang mengkode reseptor olfaktori dapat bervariasi dari 300 hingga 1.200 tergantung pada spesies dan seberapa penting indera penciuman bagi mereka.

Jadi, alih-alih memiliki satu reseptor untuk setiap molekul kimia yang mungkin, setiap senyawa akan memiliki “jejak” unik yang dihasilkan ketika mengaktifkan masing‑masing reseptor tersebut secara sedikit berbeda. Bulb olfaktori kemudian menyusun sinyal kompleks ini menjadi sinyal saraf dan menafsirkannya melalui bagian otak yang disebut kompleks olfaktori.

Membangun Chip Olfaktori

Peneliti HKUST telah menciptakan cara meniru sistem ini, melewati batasan pembuatan reseptor miniatur untuk setiap senyawa kimia yang mungkin.

Mereka merakit array sensor nanotube pada substrat nanopori, mencapai hingga 10.000 sensor gas yang dapat di‑address secara individual per chip.

Data ini kemudian diproses oleh algoritma jaringan saraf untuk diterjemahkan menjadi “persepsi” bau digital kimia tertentu.

Sumber: HKUST

Potensi Chip Olfaktori

Desain ini memberi chip olfaktori potensi untuk secara bersamaan mendeteksi baik keberadaan maupun konsentrasi selusin atau lebih bahan kimia sekaligus.

Sebagai demonstrasi, tim menciptakan chip olfaktori biomimetik yang menunjukkan sensitivitas luar biasa terhadap berbagai gas, serta kemampuan membedakan yang baik untuk campuran gas dan 24 bau yang berbeda.

Mereka kemudian mengintegrasikan chip olfaktori dan sensor visi pada robot anjing, menciptakan sistem olfaktori‑visual gabungan yang dapat mengidentifikasi objek dalam kotak tertutup dengan akurat, hampir seperti “anjing sungguhan”.

Sumber: HKUST

Aplikasi Chip Olfaktori

Keamanan

Aplikasi paling langsung dari chip olfaktori adalah di mana sebagian besar detektor kimia saat ini digunakan: aplikasi keamanan. Ini mencakup pabrik, stasiun pengolahan air, industri petrokimia, deteksi kebocoran pipa, dan pemantauan lingkungan (polusi udara, dll).

Jenis detektor baru ini dapat mendeteksi lebih banyak bahan kimia sekaligus dibandingkan teknologi sebelumnya, memungkinkan aliran data yang lebih besar dan penilaian keamanan yang lebih baik.

Pertahanan & Keamanan

Seperti yang ditunjukkan oleh prototipe robodog, sistem deteksi semacam ini dapat digunakan untuk mendeteksi ancaman yang biasanya tidak terlihat. Dari penyelundupan narkoba hingga deteksi bahan peledak, setiap aktivitas yang biasanya melibatkan anjing pelacak dapat disistematisasi, berkat gabungan AI, robotika otonom, dan chip olfaktori.

Pencarian dan penyelamatan juga dapat memanfaatkan chip olfaktori untuk menemukan korban di bawah bangunan yang hancur setelah bencana alam.

Makanan & Pertanian

Salah satu alasan mengapa sebagian besar hewan memiliki indera penciuman yang berkembang adalah untuk mendeteksi apakah makanan dapat dimakan atau sudah busuk. Kita dapat membayangkan chip olfaktori yang sangat sensitif dan khusus untuk produk makanan sangat berguna bagi industri makanan.

Demikian pula, drone pertanian dapat digunakan untuk mencium kematangan buah, keberadaan penyakit jamur pada tanaman, feromon serangga, dll.

Deteksi Kanker dan Penyakit

Sudah lama diketahui bahwa beberapa penyakit terkait dengan pelepasan bau tertentu. Data anekdot tentang kucing atau anjing yang dapat mendeteksi kanker kini telah terbukti lebih dari sekadar mitos urban melalui penggunaan sensor buatan.

Secara khusus, beberapa jenis kanker telah mulai terdeteksi melalui metode ini, dengan “hidung elektronik” yang mampu melakukannya dengan akurasi 95%.

Temuan tersebut menunjukkan bahwa alat yang dikembangkan oleh Penn — yang menggunakan kecerdasan buatan dan pembelajaran mesin untuk menguraikan campuran senyawa organik volatil (VOC) yang dipancarkan dari sel dalam sampel plasma darah — dapat menjadi pendekatan non‑invasif untuk menyaring kanker yang sulit dideteksi, seperti pankreas dan ovarium.

Penn Medicine News

Kami juga melihat perusahaan seperti BrainChip (BRN.AX ) menggunakan deteksi olfaktori digital untuk mendeteksi bakteri dalam sampel darah.

Semakin sensitif chip olfaktori dan semakin mampu mendeteksi puluhan atau ratusan senyawa sekaligus, semakin banyak penemuan semacam ini dapat digunakan untuk diagnosis, tidak hanya kanker tetapi banyak penyakit lain, terutama penyakit metabolik.

Berbeda dengan versi saat ini, mungkin hal ini dapat dicapai hanya dari bau kulit atau napas kita, tanpa perlu sampel darah.

Smartphone & Elektronik

Sebagai sistem berbasis silikon murni, chip olfaktori dapat diintegrasikan ke dalam alat elektronik kecil yang selalu ada di sekitar kita seperti smartphone.

Ini dapat berguna untuk memantau secara terus‑menerus dan secara otomatis mendeteksi ancaman seperti karbon monoksida, asap, atau kebocoran gas, atau menilai keamanan makanan.

Kita juga dapat membayangkan aplikasi yang lebih sederhana namun tetap berguna dan populer, seperti membantu saat memasak, mengenali rempah, dll.

Dalam jangka panjang, jika dipasangkan dengan “generator bau”, hal ini bahkan dapat memungkinkan transfer digital bau (yang diinginkan) antar ponsel.

Mendapatkan Indera Baru

Aplikasi yang lebih jauh di masa depan, namun tidak mustahil, adalah mengintegrasikan kemampuan chip olfaktori ke dalam tubuh manusia.

Terutama mengingat kemajuan cepat antarmuka manusia‑mesin, seperti, misalnya, Neuralink milik Elon Musk.

Kita dapat dengan mudah membayangkan sensor semacam itu diintegrasikan ke dalam tubuh kita dan memberi peringatan tentang bahan kimia berbahaya pada tingkat di bawah apa yang secara biologis mungkin. Atau untuk bahan kimia yang sama sekali tidak dapat kita deteksi secara alami.

“Di masa depan, dengan pengembangan material bio‑kompatibel yang cocok, kami berharap chip olfaktori biomimetik juga dapat ditempatkan pada tubuh manusia untuk memungkinkan kita mencium bau yang biasanya tidak dapat tercium.

Ia juga dapat memantau abnormalitas molekul organik volatil dalam napas kita dan yang dipancarkan oleh kulit, untuk memperingatkan kami tentang potensi penyakit, memperluas potensi rekayasa biomimetik,”

Prof. Fan Zhiyong

Perusahaan Chip Olfaktori

Potensi chip olfaktori kemungkinan akan terbatas pada tahun‑tahun pertama pada aplikasi “serius” dengan kasus penggunaan yang jelas, mulai dari diagnosis penyakit hingga deteksi ancaman. Jadi aplikasi‑aplikasi inilah yang paling mungkin menjadi tempat kami menemukan perusahaan yang dapat memanfaatkan inovasi ini.

(daftar ini tidak termasuk perusahaan chip dengan potensi kuat dalam chip olfaktori dan sensor, tetapi bagian terbesar pendapatannya kemungkinan tetap didorong oleh chip komputasi “klasik”, seperti misalnya chip neuromorfik Intel (INTC ) atau SyNAPSE IBM – chip komputasi neuro‑sinaptik yang skalabel dan hemat energi).

1. BrainChips Holdings (BRN.AX)

Perusahaan kecerdasan buatan ini berspesialisasi dalam menciptakan chip yang meniru otak manusia melalui Neural Network Layer Engines (NPE).

Ia mengklaim menjadi yang pertama mengkomersialkan teknologi neuromorfik. Ia juga melihat dirinya berada di depan pesaing serius seperti chip IBM dan Intel, berkat pembelajaran on‑chip, alur kerja ML standar & konvolusi on‑chip.

Fokusnya meliputi aplikasi visi, audio, olfaksi, dan transduser pintar.

Sumber: BrainChip

Hal ini menjadikan perusahaan tersebut kandidat yang sangat baik untuk mendapatkan manfaat dari kemajuan chip olfaktori. Ia dapat langsung melisensikan penemuan HKUST, mencoba mereplikasinya, atau melihat chip‑nya sendiri menjadi bagian kunci perangkat keras yang diperlukan untuk menginterpretasikan data array sensor nanotube.

Perusahaan melihat pasar potensial yang sangat besar untuk produknya, termasuk kapasitas visi mesin dan olfaksi.

Sumber: BrainChip

BrainChip memiliki model bisnis IP margin tinggi, di mana ia melisensikan teknologinya dengan biaya di muka dan aliran royalti, kemudian bermitra dengan integrator sistem untuk menciptakan produk akhir.

2. Honeywell

Honeywell adalah pemimpin dalam deteksi & sensor, dengan kehadiran kuat atau dominan di industri seperti otomasi gedung, dirgantara, dan keamanan (banyak aktivitas dirgantara dan gedungnya terkait dengan teknologi sensor).

Sebagai pemimpin yang diakui dalam sensor & pemantauan, ia berada pada posisi prima untuk mengkomersialkan dan memperluas cakupan detektor gas dari keadaan terbatas (tetapi sudah menguntungkan) saat ini menjadi alat yang omnipresent.

Sumber: Honeywell

Honeywell juga berada di garis depan inovasi teknologi lain, terutama komputasi kuantum melalui kepemilikan 54% Quantunuum dan sektor bisnis yang kami bahas dalam artikel kami “The Current State of Quantum Computing”.

Ia juga aktif dalam Pencetakan Logam Cair, sesuatu yang kami bahas dalam “Liquid Metal Printing May Become a ‘Productive Force in the Landscape of Manufacturing and Design”.

Honeywell sudah menjadi perusahaan besar di sektor sensor dan otomasi, dengan tujuan ambisius dalam beragam teknologi inovatif.

Jadi bahkan jika chip olfaktori biomimetik dapat menjadi pesaing dalam jangka pendek, kemungkinan besar ia akan dapat beradaptasi dan mendapat manfaat dari pertumbuhan pasar sensor olfaktori, baik melalui R&D internal maupun melalui akuisisi perusahaan kecil.