Biomimetische Olfactorische Chips: Zijn Kunstmatige Intelligentie en E-Noses de Volgende Kanarie in een Steengroeve?

De moeilijkheden van kunstmatige reukzin

Terwijl machinale visie de afgelopen jaren enorme vooruitgang heeft geboekt, blijven andere kunstmatige zintuigen achter. Een daarvan is het reukzintuig of ‘geur’.

Dit komt omdat we al lang weten hoe we een precies elektrisch signaal kunnen verkrijgen als reactie op licht, iets dat op grote schaal wordt gebruikt sinds de eerste digitale camera’s. Daarentegen is geur in wezen de detectie van vluchtige chemische stoffen.

Dit is om een aantal redenen veel moeilijker:

• Geurstoffen zijn zelden “zuiver”. Ze komen eerder voor in complexe mengsels die hun detectie kunnen bemoeilijken.
• De detectiedrempel die nodig is om gelijk te komen aan de menselijke of dierlijke reukzin is zeer laag, met concentraties meestal in het ppm‑bereik (parts per million, of 0,0001%).
• Miniaturisatie is essentieel voor de meeste toepassingen, wat zowel geavanceerde chips als een laag stroomverbruik vereist.
• Elke detectie gebaseerd op een chemische reactie vereist regelmatige vervanging van de katalysatoren of chemicaliën die in de sensor worden gebruikt.

Om al deze redenen is de meeste chemische / olfactorische digitale detectie momenteel beperkt tot enkele chemische verbindingen. En wordt over het algemeen alleen gebruikt in een industriële omgeving waar de gevaarlijke chemicaliën die moeten worden gedetecteerd naar verwachting afkomstig zijn van ongevallen of lekken, bijvoorbeeld koolmonoxide, ozon, chloor, enz.

Dit zou kunnen veranderen dankzij de ontwikkeling van biomimetische olfactorische chips door onderzoekers in het team van prof. Fan Zhiyong, Chair Professor aan de Hong Kong University of Science and Technology (HKUST).

Bron: HKUST

Biomimetische Olfactorische Chips

Hoe werkt reuk?

De manier waarop het reukzintuig werkt bij dieren en mensen is via een reeks “chemische detectoren” die olfactorische receptoren worden genoemd, die met hoge gevoeligheid een breed scala aan vluchtige chemicaliën kunnen detecteren.

Het aantal genen dat codeert voor dergelijke olfactorische receptoren kan variëren van 300 tot 1.200, afhankelijk van de soort en hoe belangrijk het reukvermogen voor die soort is.

Dus, in plaats van één receptor voor elk mogelijk chemisch molecuul te hebben, krijgt elke verbinding een uniek “afdruk” dat ontstaat wanneer elk van deze receptoren iets anders wordt geactiveerd. De olfactorische bulbus zet dit complexe signaal vervolgens om in een zenuwsignaal en interpreteert het via een deel van de hersenen dat het olfactorisch complex wordt genoemd.

Het bouwen van olfactorische chips

HKUST‑onderzoekers hebben een manier gecreëerd om dit systeem te repliceren, waarbij de beperkingen van het bouwen van een miniaturiseerde receptor voor elke mogelijke chemische verbinding worden omzeild.

Ze assembleerden nanotube‑sensorarrays op een nanoporeus substraat, met tot 10.000 individueel adresseerbare gassensoren per chip.

Deze data wordt vervolgens verwerkt door een neuraal‑netwerk‑algoritme om te vertalen naar een “perceptie” van een specifieke chemische digitale geur.

Bron: HKUST

Potentieel van olfactorische chips

Dit ontwerp geeft de olfactorische chips het potentieel om gelijktijdig zowel de aanwezigheid als de concentratie van een dozijn of meer chemicaliën tegelijk te detecteren.

Als demonstratie heeft het team een biomimetische olfactorische chip gecreëerd die uitzonderlijke gevoeligheid toonde voor diverse gassen, met uitstekende onderscheidingsvermogen voor gemengde gassen en 24 verschillende geuren.

Vervolgens integreerden ze zowel de olfactorische chip als visiesensoren op een robot‑hond, waardoor een gecombineerd olfactorisch en visueel systeem ontstond dat objecten in blinde dozen nauwkeurig kan identificeren, vrijwel als een “echte hond”.

Bron: HKUST

Toepassingen van olfactorische chips

Veiligheid

De meest directe toepassing van olfactorische chips is waar de meeste chemische detectoren momenteel worden gebruikt: veiligheids‑toepassingen. Dit omvat fabrieken, waterzuiveringsinstallaties, petrochemische industrieën, lekdetectie in leidingen en milieumonitoring (luchtvervuiling, enz.).

Deze nieuwe soorten detectoren zouden meer chemicaliën tegelijk kunnen detecteren dan eerdere technologieën, waardoor een grotere datastroom en een betere beoordeling van de veiligheid mogelijk wordt.

Defensie & Veiligheid

Zoals gedemonstreerd door het robodog‑prototype, zou een dergelijk detectiesysteem kunnen worden gebruikt om anders onzichtbare bedreigingen te detecteren. Van drugssmokkel tot explosieven, elke activiteit waarbij speurhonden worden ingezet, zou geautomatiseerd kunnen worden dankzij de samensmelting van AI, autonome robotica en olfactorische chips.

Zoek‑ en reddingsoperaties kunnen ook profiteren van olfactorische chips om overlevenden te vinden onder ingestorte gebouwen na een natuurramp.

Voedsel & Landbouw

Een reden waarom de meeste dieren een ontwikkeld reukvermogen hebben, is om te detecteren of voedsel eetbaar of bedorven is. We kunnen ons voorstellen dat zeer gevoelige olfactorische chips die gespecialiseerd zijn in voedselproducten zeer nuttig kunnen zijn voor de voedingsindustrie.

Evenzo zouden landbouw‑drones kunnen worden ingezet om de rijping van fruit te ruiken, de aanwezigheid van schimmelziekten in gewassen, insectenferomonen, enz.

Kanker- en ziektedetectie

Het is al geruime tijd bekend dat sommige ziekten geassocieerd worden met de uitstoot van specifieke geuren. Anekdotisch bewijs van katten of honden die kanker kunnen detecteren, is nu meer dan alleen een stadsmythe, bewezen door het gebruik van kunstmatige sensoren.

Het meest opvallend is dat verschillende vormen van kanker nu via deze methoden worden gedetecteerd, met de “elektronische neus” die dit met 95% nauwkeurigheid kan doen.

De bevindingen suggereren dat het door Penn ontwikkelde instrument — dat kunstmatige intelligentie en machine learning gebruikt om de mengeling van vluchtige organische verbindingen (VOCs) die uit cellen in bloedplasma‑monsters vrijkomen — kan dienen als een niet‑invasieve benadering om moeilijker detecteerbare kankers, zoals alvleesklier‑ en eierstokkanker, te screenen.

We zien ook bedrijven zoals BrainChip (BRN.AX ) die digitale olfactorische detectie gebruiken om bacteriën in bloedmonsters te detecteren.

Het is waarschijnlijk dat naarmate olfactorische chips gevoeliger worden en in staat zijn om tientallen of honderden verbindingen tegelijk te detecteren, dergelijke ontdekkingen steeds meer kunnen worden ingezet voor diagnostiek, niet alleen van kanker maar van vele andere ziekten, vooral metabole aandoeningen.

In tegenstelling tot de huidige versie zou dit mogelijk alleen via de geur van onze huid of adem kunnen gebeuren, zonder zelfs een bloedmonster nodig te hebben.

Smartphones & Elektronica

Als een puur op silicium gebaseerd systeem zouden olfactorische chips geïntegreerd kunnen worden in onze alomtegenwoordige kleine elektronische hulpmiddelen zoals de smartphone.

Het zou nuttig kunnen zijn om continu bedreigingen zoals koolmonoxide, rook of gaslekken te monitoren en automatisch te detecteren, of de veiligheid van voedsel te beoordelen.

We kunnen ons ook meer triviale, maar desalniettemin potentieel nuttige en populaire toepassingen voorstellen, zoals hulp bij het koken, het herkennen van specerijen, enz.

Op de langere termijn, als het gekoppeld wordt aan een “geur‑generator”, zou het zelfs de digitale overdracht van (bij voorkeur goede) geuren tussen telefoons kunnen mogelijk maken.

Nieuwe zintuigen verwerven

Een andere, meer toekomstgerichte maar niet onmogelijke toepassing zou zijn om zo’n olfactorische chipcapaciteit in het menselijk lichaam te integreren.

Vooral gezien de snelle vooruitgang van mens‑machine‑interfaces, zoals bijvoorbeeld Elon Musk’s Neuralink.

We kunnen ons gemakkelijk voorstellen dat zo’n sensor in ons lichaam wordt geïntegreerd en ons waarschuwt voor schadelijke chemicaliën op niveaus onder wat biologisch mogelijk is. Of voor chemicaliën die we volledig niet kunnen detecteren.

“In de toekomst, met de ontwikkeling van geschikte biocompatibele materialen, hopen we dat de biomimetische olfactorische chip ook op het menselijk lichaam kan worden geplaatst om ons geuren te laten ruiken die normaal niet ruikbaar zijn.

Het kan ook de afwijkingen in vluchtige organische moleculen in onze adem en die door onze huid worden uitgezonden monitoren, om ons te waarschuwen voor potentiële ziekten, en zo het verdere potentieel van biomimetische engineering te bereiken,”

Prof. Fan Zhiyong

Bedrijven voor olfactorische chips

Het potentieel van olfactorische chips zal waarschijnlijk in de eerste jaren beperkt blijven tot “serieuze” toepassingen met duidelijke use‑cases, van diagnostiek van ziekten tot dreigingsdetectie. Deze toepassingen zijn dus het meest waarschijnlijk waar we bedrijven kunnen vinden die van deze innovatie kunnen profiteren.

(deze lijst omvatte geen chip‑bedrijven met sterk potentieel in olfactorische chips en sensoren, maar waarvan het grootste deel van de omzet waarschijnlijk zal blijven voortkomen uit “klassieke” computerchips, zoals bijvoorbeeld Intels neuromorfe chip of IBM’s SyNAPSE – schaalbare energie‑efficiënte neuro‑synaptische computerchip).

1. BrainChips Holdings (BRN.AX)

Dit kunstmatige‑intelligentiebedrijf specialiseert zich in het creëren van chips die het menselijk brein nabootsen via Neural Network Layer Engines (NPE’s).

Het beweert de eerste te zijn die neuromorfe technologie commercialiseert. Het ziet zichzelf ook als voorloper van serieuze concurrenten zoals IBM‑ en Intel (INTC ) ‑chips, dankzij on‑chip‑leren, standaard‑ML‑workflow en on‑chip‑convolutie.

Het richt zich op visie‑, audio‑, reuk‑ en slimme transducer‑toepassingen.

Bron: BrainChip

Dit maakt het bedrijf een zeer goede kandidaat om te profiteren van de vooruitgang in olfactorische chips. Het zou direct de ontdekking van HKUST kunnen licentiëren, proberen te repliceren, of zien dat zijn eigen chips een sleutelonderdeel worden van de hardware die nodig is om de data van de nanotube‑sensorarray te interpreteren.

Het bedrijf ziet een enorme potentiële markt voor zijn producten, inclusief machine‑vision‑ en reukcapaciteiten.

Bron: BrainChip

BrainChip heeft een hoog‑margin IP‑businessmodel, waarbij het zijn technologie licentieert voor een eenmalige vergoeding en royalty‑stromen, en vervolgens samenwerkt met systeem‑integrators om het eindproduct te creëren.

2. Honeywell

Honeywell is een leider op het gebied van detectie & sensoren, met een sterke of dominante aanwezigheid in sectoren zoals gebouw‑automatisering, lucht‑ en ruimtevaart, en veiligheid (veel van haar lucht‑ en ruimtevaart‑ en gebouwactiviteiten zijn gekoppeld aan sensortechnologieën).

Als erkende leider in sensoren & monitoring zou het in een uitstekende positie kunnen staan om gasdetectoren te commercialiseren en de reikwijdte ervan uit te breiden van de huidige beperkte (maar al lucratieve) staat naar een alomtegenwoordig hulpmiddel.

Bron: Honeywell

Honeywell staat ook aan de voorhoede van andere technologische innovaties, met name quantum computing via haar eigendom van 54% van Quantunuum en een bedrijfssector die we bespraken in ons artikel “The Current State of Quantum Computing ”.

Het is ook actief in Liquid Metal Printing, iets waar we over spraken in “Liquid Metal Printing May Become a ‘Productive Force in the Landscape of Manufacturing and Design”.

Honeywell is al een enorm bedrijf in de sensor‑ en automatiseringssector, met ambitieuze doelen in een breed scala aan innovatieve technologieën.

Dus zelfs als biomimetische olfactorische chips op korte termijn een concurrent zouden kunnen zijn, is het waarschijnlijk dat het zich zal kunnen aanpassen en profiteren van de groei van de markt voor olfactorische sensoren, hetzij via eigen R&D, hetzij via overnames van kleinere bedrijven.