Chip Olfattivi Biomimetici: L’Intelligenza Artificiale e i Nasi Elettronici Sono il Prossimo Canarino nella Miniera di Carbone?

Le difficoltà dell’olfatto artificiale

Mentre la visione artificiale ha compiuto enormi progressi negli ultimi anni, gli altri sensi artificiali sono rimasti indietro. Uno di questi è il senso dell’olfatto o “odore”.

Ciò è dovuto al fatto che da tempo sappiamo come ottenere un segnale elettrico preciso in risposta alla luce, qualcosa che è stato utilizzato su larga scala fin dalle prime fotocamere digitali. Al contrario, l’odore è essenzialmente la rilevazione di sostanze chimiche volatili.

Questo è molto più difficile per alcuni motivi:

• I composti odoranti raramente sono “puri”. Sono invece presenti in miscele complesse che possono complicarne la rilevazione.
• La soglia di rilevazione necessaria per eguagliare il senso dell’olfatto umano o animale è molto bassa, rilevando concentrazioni generalmente nell’ordine di ppm (parti per milione, o 0,0001%).
• La miniaturizzazione è essenziale per la maggior parte delle applicazioni, richiedendo sia chip avanzati sia un basso consumo energetico.
• Qualsiasi rilevazione basata su una reazione chimica richiederà cambiamenti regolari dei catalizzatori o delle sostanze chimiche usate nel sensore.

Per tutti questi motivi, la maggior parte della rilevazione digitale chimica/olfattiva è attualmente limitata a pochi composti chimici. E generalmente è utilizzata solo in contesti industriali dove le sostanze pericolose da rilevare sono attese a causa di incidenti o perdite, ad esempio monossido di carbonio, ozono, cloro, ecc.

Ciò potrebbe cambiare grazie allo sviluppo di chip olfattivi biomimetici da parte dei ricercatori del team del Prof. Fan Zhiyong, Chair Professor presso la Hong Kong University of Science and Technology (HKUST).

Fonte: HKUST

Chip Olfattivi Biomimetici

Come funziona l’olfatto?

Il modo in cui il senso dell’olfatto funziona negli animali e negli esseri umani è tramite una serie di “rilevatori chimici” chiamati recettori olfattivi, in grado di rilevare con alta sensibilità un’ampia gamma di sostanze chimiche volatili.

Il numero di geni che codificano tali recettori olfattivi può variare da 300 a 1.200 a seconda della specie e dell’importanza dell’olfatto per essa.

Quindi, invece di avere un recettore per ogni possibile molecola chimica, ogni composto avrà un “impronta” unica prodotta quando attiva ciascuno di questi recettori in modo leggermente diverso. I bulbi olfattivi assemblano poi questo segnale complesso in un segnale nervoso e lo interpretano tramite una parte del cervello chiamata complesso olfattivo.

Costruire chip olfattivi

I ricercatori di HKUST hanno creato un modo per replicare questo sistema, aggirando i vincoli di costruire un recettore miniaturizzato per ogni possibile composto chimico.

Hanno assemblato array di sensori a nanotubi su un substrato nanoporo, raggiungendo fino a 10.000 sensori di gas individualmente indirizzabili per chip.

Questi dati vengono poi elaborati da un algoritmo di rete neurale per essere tradotti in una “percezione” di un odore digitale specifico.

Fonte: HKUST

Potenziale dei chip olfattivi

Questo design conferisce ai chip olfattivi il potenziale di rilevare simultaneamente sia la presenza sia la concentrazione di una dozzina o più sostanze chimiche contemporaneamente.

Come dimostrazione, il team ha creato un chip olfattivo biomimetico che ha mostrato una sensibilità eccezionale a vari gas, con eccellente distinguibilità per gas miscelati e 24 odori distinti.

Hanno poi integrato sia il chip olfattivo sia i sensori visivi su un cane robotico, creando un sistema combinato olfattivo e visivo in grado di identificare accuratamente oggetti in scatole cieche, praticamente come un “cane vero”.

Fonte: HKUST

Applicazioni dei chip olfattivi

Sicurezza

L’applicazione più immediata dei chip olfattivi è dove attualmente vengono utilizzati la maggior parte dei rilevatori chimici: le applicazioni di sicurezza. Ciò include fabbriche, impianti di trattamento dell’acqua, industrie petrolchimiche, rilevazione di perdite nelle tubazioni e monitoraggio ambientale (inquinamento atmosferico, ecc.).

Questi nuovi tipi di rilevatori potrebbero individuare più sostanze chimiche contemporaneamente rispetto alle tecnologie precedenti, consentendo un flusso di dati più ampio e una migliore valutazione della sicurezza.

Difesa e Sicurezza

Come dimostrato dal prototipo di robodog, un tale sistema di rilevazione potrebbe essere usato per individuare minacce altrimenti invisibili. Dal contrabbando di droga alla rilevazione di esplosivi, ogni attività in cui vengono impiegati cani fiutatori potrebbe essere sistematizzata, grazie alla fusione di IA, robotica autonoma e chip olfattivi.

Le operazioni di ricerca e soccorso potrebbero anche beneficiare dei chip olfattivi per trovare sopravvissuti sotto edifici distrutti dopo una catastrofe naturale.

Alimentazione e Agricoltura

Uno dei motivi per cui la maggior parte degli animali ha un senso dell’olfatto sviluppato è per rilevare se un cibo è commestibile o avariato. Possiamo immaginare che chip olfattivi molto sensibili, specializzati in prodotti alimentari, possano essere molto utili per l’industria alimentare.

Allo stesso modo, droni agricoli potrebbero essere usati per percepire la maturazione della frutta, la presenza di malattie fungine nelle colture, feromoni di insetti, ecc.

Rilevazione di cancro e malattie

È noto da tempo che alcune malattie sono associate all’emissione di odori specifici. Dati aneddotici di gatti o cani capaci di rilevare il cancro sono ora stati dimostrati più di semplici miti urbani grazie all’uso di sensori artificiali.

Più recentemente, diversi tipi di cancro sono stati iniziati a essere rilevati attraverso questi metodi, con il “naso elettronico” in grado di farlo con una precisione del 95%.

I risultati suggeriscono che lo strumento sviluppato da Penn — che utilizza intelligenza artificiale e apprendimento automatico per decifrare la miscela di composti organici volatili (COV) rilasciati dalle cellule nei campioni di plasma sanguigno — potrebbe servire come approccio non invasivo per lo screening di tumori più difficili da rilevare, come quelli pancreatici e ovarici.Penn Medicine News

Vediamo anche aziende come BrainChip (BRN.AX ) che utilizzano la rilevazione olfattiva digitale per individuare batteri nei campioni di sangue.

È probabile che più i chip olfattivi diventeranno sensibili e capaci di rilevare decine o centinaia di composti contemporaneamente, più tali scoperte potranno essere utilizzate per la diagnosi, non solo del cancro ma di molte altre malattie, specialmente le malattie metaboliche.

Contrariamente alla versione attuale, potrebbe forse raggiungere questo risultato solo dall’odore della nostra pelle o del nostro respiro, senza nemmeno necessitare di un campione di sangue.

Smartphone ed Elettronica

Essendo un sistema interamente basato su silicio, i chip olfattivi potrebbero essere integrati nei nostri onnipresenti piccoli strumenti elettronici come lo smartphone.

Potrebbe essere utile per monitorare costantemente e rilevare automaticamente minacce come monossido di carbonio, fumo o perdite di gas, o valutare la sicurezza del cibo.

Potremmo anche immaginare applicazioni più banali ma comunque potenzialmente utili e popolari, come assistere durante la cottura, riconoscere le spezie, ecc.

Nel lungo periodo, se accoppiato a un “generatore di odori”, potrebbe persino consentire il trasferimento digitale di odori (preferibilmente piacevoli) tra telefoni.

Acquisire nuovi sensi

Un’altra applicazione più distante nel futuro, ma non impossibile, sarebbe integrare tale capacità dei chip olfattivi nel corpo umano.

Soprattutto considerando il rapido progresso delle interfacce uomo-macchina, come, ad esempio, il Neuralink di Elon Musk.

Potremmo facilmente immaginare un tale sensore integrato nei nostri corpi e che ci avvisi di sostanze chimiche nocive a livelli inferiori a quelli biologicamente possibili. O per sostanze chimiche che non siamo affatto in grado di rilevare naturalmente.

“Nel futuro, con lo sviluppo di materiali biocompatibili adeguati, speriamo che il chip olfattivo biomimetico possa essere posizionato sul corpo umano per permetterci di percepire odori che normalmente non possono essere annusati.

Può anche monitorare le anomalie nelle molecole organiche volatili nel nostro respiro e rilasciate dalla nostra pelle, per avvertirci di potenziali malattie, raggiungendo ulteriori potenzialità dell’ingegneria biomimetica,”

Prof. Fan Zhiyong

Aziende di chip olfattivi

Il potenziale dei chip olfattivi sarà probabilmente limitato nei primi anni a applicazioni “seriose” con casi d’uso chiari, dalla diagnostica delle malattie al rilevamento di minacce. Quindi è più probabile trovare aziende che possano beneficiare di questa innovazione in questi settori.

(questa lista non include aziende di chip con forte potenziale nei chip e sensori olfattivi, ma la cui maggior parte dei ricavi rimarrà probabilmente guidata da chip di calcolo “classici”, come ad esempio Intel’s neuromorphic chip (INTC ) o IBM’s SyNAPSE – Scalable energy-efficient neuro synaptic computing chip).

1. BrainChips Holdings (BRN.AX)

Questa azienda di intelligenza artificiale si specializza nella creazione di chip che imitano il cervello umano attraverso Neural Network Layer Engines (NPE).

Affermano di essere i primi a commercializzare la tecnologia neuromorfica. Si considerano anche avanti rispetto a seri concorrenti come i chip IBM e Intel, grazie all’apprendimento on-chip, al flusso di lavoro ML standard e alla convoluzione on-chip.

È focalizzata su applicazioni di visione, audio, olfatto e trasduttori intelligenti.

Fonte: BrainChip

Questo rende l’azienda un’ottima candidata a beneficiare dei progressi nei chip olfattivi. Potrebbe licenziare direttamente la scoperta di HKUST, cercare di replicarla, o vedere i propri chip diventare una parte chiave dell’hardware necessario per interpretare i dati dell’array di sensori a nanotubi.

L’azienda vede un mercato potenziale enorme per i suoi prodotti, includendo capacità di visione artificiale e olfattiva.

Fonte: BrainChip

BrainChip ha un modello di business IP ad alto margine, in cui licenzia la sua tecnologia mediante una tariffa iniziale e flussi di royalties, per poi collaborare con integratori di sistemi per creare il prodotto finale.

2. Honeywell

Honeywell è leader nella rilevazione e nei sensori, con una presenza forte o dominante in settori come l’automazione degli edifici, l’aerospazio e la sicurezza (molte delle sue attività aerospaziali e per edifici sono legate a tecnologie di sensori).

Essendo riconosciuto come leader nei sensori e nel monitoraggio, potrebbe trovarsi in una posizione privilegiata per commercializzare e ampliare la portata dei rilevatori di gas dal suo stato attuale limitato (ma già redditizio) a uno strumento onnipresente.

Fonte: Honeywell

Honeywell è anche in prima linea in altre innovazioni tecnologiche, in particolare il quantum computing attraverso la sua partecipazione del 54% in Quantinuum e un settore di business di cui abbiamo discusso nel nostro articolo “The Current State of Quantum Computing ”.

È anche attiva nella stampa di metallo liquido, qualcosa di cui abbiamo discusso in “Liquid Metal Printing May Become a ‘Productive Force in the Landscape of Manufacturing and Design”.

Honeywell è già una grande azienda nel settore dei sensori e dell’automazione, con obiettivi ambiziosi in una vasta gamma di tecnologie innovative.

Quindi, anche se i chip olfattivi biomimetici potrebbero essere un concorrente a breve termine, è probabile che l’azienda sarà in grado di adattarsi e beneficiare della crescita del mercato dei sensori olfattivi, sia attraverso la propria R&D sia mediante acquisizioni di aziende più piccole.