コンピューティング
Biomimetic Olfactory Chips: 人工知能と電子鼻は炭鉱の次のカナリアになるか？
Securities.io を Google の優先ソースに追加
人工嗅覚の課題
機械ビジョンはここ数年で驚異的な進歩を遂げましたが、他の人工感覚は遅れを取っています。そのうちの一つが嗅覚、すなわち「匂い」の感覚です。
これは、光に対して正確な電気信号を取得する方法が長らく分かっており、最初のデジタルカメラ以来大規模に利用されてきたためです。対照的に、嗅覚は本質的に揮発性化学物質の検出です。
これがさらに難しい理由は以下の通りです：
- 匂い分子はほとんどが「純粋」ではなく、検出を複雑にする複雑な混合物として存在します。
- 人間や動物の嗅覚に匹敵する検出閾値は非常に低く、一般に ppm（百万分の一、すなわち 0.0001%）の濃度を検出します。
- 多くの用途では小型化が不可欠であり、高度なチップと低消費電力が求められます。
- 化学反応に基づく検出は、センサーで使用する触媒や化学物質を定期的に交換する必要があります。
これらの理由から、現在の化学・嗅覚デジタル検出はごく限られた化合物に限定されています。主に、検出対象となる有害化学物質が事故や漏洩から生じると想定される工業環境で使用されており、例として一酸化炭素、オゾン、塩素などがあります。
この状況は、香港科技大学（HKUST）のファン・ジヨン教授率いる研究チームが開発したバイオミメティック嗅覚チップにより変わる可能性があります。
出典: HKUST
バイオミメティック嗅覚チップ
嗅覚はどのように機能するか？
動物や人間の嗅覚は、嗅覚受容体と呼ばれる「化学検出器」の配列によって機能し、広範囲の揮発性化学物質を高感度で検出します。
このような嗅覚受容体をコードする遺伝子の数は、種や嗅覚の重要性に応じて 300 から 1,200 まで変動します。
したがって、すべての化学分子に対して個別の受容体を持つのではなく、各受容体がわずかに異なる形で活性化されることで、各化合物は独自の「指紋」を持ちます。嗅球はこの複雑な信号を神経信号に統合し、嗅覚複合体と呼ばれる脳の部位で解釈します。
嗅覚チップの構築
HKUST の研究者は、このシステムを再現する方法を開発し、すべての化学化合物に対して小型化された受容体を作るという制約を回避しました。
彼らはナノチューブセンサーアレイをナノ多孔質基板上に組み立て、チップあたり最大 10,000 個の個別にアドレス可能なガスセンサーを実現しました。
このデータはニューラルネットワークアルゴリズムで処理され、特定の化学的デジタル臭覚の「知覚」へと変換されます。
出典: HKUST
嗅覚チップの可能性
この設計により、嗅覚チップは同時に十数種以上の化学物質の有無と濃度を検出できる可能性を持ちます。
実証実験として、チームはさまざまなガスに対して卓越した感度を示し、混合ガスや 24 種類の異なる匂いを高い識別性で検出できるバイオミメティック嗅覚チップを作成しました。
さらに、嗅覚チップとビジョンセンサーをロボット犬に統合し、盲箱内の物体を正確に識別できる嗅覚と視覚を組み合わせたシステムを構築しました。まさに「本物の犬」のようです。
出典: HKUST
嗅覚チップの応用
安全性
嗅覚チップの最も直接的な応用は、現在多くの化学検出器が使用されている安全分野です。これには工場、浄水施設、石油化学産業、配管漏洩検知、環境モニタリング（大気汚染など）が含まれます。
この新しいタイプの検出器は、従来技術よりも同時に多くの化学物質を検出でき、データ量が増加し安全性の評価が向上します。
防衛・セキュリティ
ロボドッグのプロトタイプが示すように、この検出システムは目に見えない脅威の検知に利用できます。麻薬密輸や爆発物検知など、嗅覚犬が使用されるすべての活動が、AI、自律ロボティクス、嗅覚チップの融合により体系化できるでしょう。
自然災害後の倒壊建物下での生存者捜索にも、嗅覚チップは有用です。
食品・農業
多くの動物が高度な嗅覚を持つ理由の一つは、食物が食べられるか腐っているかを判断するためです。食品に特化した高感度嗅覚チップは、食品業界で非常に有用になると想像できます。
同様に、農業用ドローンは果実の熟成、作物の真菌性疾患、昆虫フェロモンなどを嗅ぎ分けることにも利用できるでしょう。
がん・疾患の検出
一部の疾患が特定の匂いを放出することは以前から知られており、猫や犬ががんを検出できるという逸話は、人工センサーの使用により単なる都市伝説以上の根拠が示されています。
特に、いくつかのがんはこれらの方法で検出され始めており、「電子鼻」が95%の精度で検出できる。
この研究結果は、ペン大学が開発したツールが、人工知能と機械学習を用いて血漿サンプル中の細胞から放出される揮発性有機化合物（VOCs）の混合物を解析し、膵臓がんや卵巣がんなど検出が難しいがんの非侵襲的スクリーニング手段となり得ることを示唆しています。Penn Medicine News
また、BrainChip (BRN.AX ) のような企業がデジタル嗅覚検出を用いて血液サンプル中の細菌を検出しているのを目にします。
嗅覚チップの感度が向上し、一度に数十から数百の化合物を検出できるようになるほど、がんだけでなく、特に代謝性疾患など多くの疾患の診断にこれらの発見が活用される可能性が高まります。
現在のバージョンとは異なり、血液サンプルを必要とせず、皮膚や呼気の匂いだけでこれを実現できるかもしれません。
スマートフォン・電子機器
純粋にシリコンベースのシステムとして、嗅覚チップはスマートフォンのような身近な小型電子機器に統合可能です。
一酸化炭素、煙、ガス漏れなどの脅威を常時監視し自動検出したり、食品の安全性を判断したりするのに有用です。
料理中の補助やスパイスの認識など、些細ながらも有用で人気が出る可能性のある応用も想像できます。
長期的には「匂いジェネレーター」と組み合わせることで、（できれば良い）匂いを電話間でデジタル転送できるようになるかもしれません。
新たな感覚の獲得
将来的には遠い目標ですが、実現不可能ではない応用として、嗅覚チップの機能を人体に統合することが考えられます。
特に、イーロン・マスクのNeuralinkのようなヒューマン・マシン・インターフェースの急速な進展を考えると。
このようなセンサーが体内に統合され、生物学的に検出できないほど低濃度の有害化学物質や、自然に検出できない化学物質について警告を与えることを容易に想像できます。
“将来的に、適切な生体適合性材料の開発により、バイオミメティック嗅覚チップを人体に装着し、通常は嗅げない匂いを感知できるようになることを期待しています。
また、呼吸や皮膚から放出される揮発性有機分子の異常を監視し、潜在的な疾病を警告することができ、バイオミメティック工学のさらなる可能性を拓くでしょう。” — Prof. Fan Zhiyong
嗅覚チップ企業
嗅覚チップの可能性は、初期数年は疾患診断から脅威検知までの明確なユースケースを持つ「本格的」な応用に限定されると考えられます。したがって、これらの分野でこのイノベーションから恩恵を受ける企業が見込まれます。
(このリストには、嗅覚チップやセンサーで高い潜在力を持つものの、売上の大部分が「従来型」コンピューティングチップに依存する可能性が高い企業（例：Intel のニューロモルフィックチップ (INTC ) やIBM の SyNAPSE – スケーラブルでエネルギー効率の高いニューロシナプティックコンピューティングチップ）は含まれていません。
1. BrainChips Holdings (BRN.AX)
この人工知能企業は、ニューラルネットワーク層エンジン（NPE）を通じて人間の脳を模倣するチップの開発を専門としています。
同社はニューロモルフィック技術を商業化した最初の企業であると主張しています。また、オンチップ学習、標準的な機械学習ワークフロー、オンチップ畳み込みにより、IBM や Intel のチップといった主要競合よりも先んじていると見なしています。
同社はビジョン、オーディオ、嗅覚、スマートトランスデューサーの応用に注力しています。
出典: BrainChip
これにより、同社は嗅覚チップの進展から恩恵を受ける有力な候補となります。HKUST の発見を直接ライセンスしたり、再現を試みたり、あるいは自社チップをナノチューブセンサーアレイデータの解釈に必要なハードウェアの重要な部分にすることが考えられます。
同社は、機械ビジョンや嗅覚機能を含む自社製品の市場規模が非常に大きいと見込んでいます。
出典: BrainChip
BrainChip は高利益率の IP ビジネスモデルを採用しており、技術を前払い金とロイヤリティでライセンスし、システムインテグレーターと提携して最終製品を作り上げます。
2. Honeywell
HON 価格チャート
Honeywell は検出・センサー分野のリーダーであり、ビルオートメーション、航空宇宙、安全性などの産業で強力または支配的な存在感を持っています（航空宇宙やビル関連の活動の多くはセンサー技術に結びついています）。
センサー・モニタリングの認知されたリーダーとして、同社は現在限定的（しかしすでに収益性の高い）ガス検出器の範囲を拡大し、遍在的なツールへと商業化できる好位置にあります。
出典: Honeywell
Honeywell は他の技術革新の最前線にも立っており、Quantinuum の 54% を所有することで量子コンピューティングに特に注力しています。また、当社の記事「The Current State of Quantum Computing 」で取り上げたビジネスセクターでもあります。
同社は液体金属印刷にも取り組んでおり、これは「Liquid Metal Printing May Become a ‘Productive Force in the Landscape of Manufacturing and Design」で取り上げました。
Honeywell はすでにセンサーとオートメーション分野で巨大企業であり、幅広い革新的技術に対して野心的な目標を掲げています。
したがって、バイオミメティック嗅覚チップが短期的に競合となったとしても、同社は自社の研究開発や小規模企業の買収を通じて嗅覚センサー市場の成長に適応し、恩恵を受けることができると考えられます。
