Biomimetiske olfaktoriske brikker: Er kunstig intelligens og e-nese den neste kanarifuglen i en kullgruve?

Vanskelighetene med kunstig luktesans

Selv om maskinsyn har gjort enorme fremskritt de siste årene, har andre kunstige sanser hengt etter. En av dem er luktesansen eller ‘lukten’.

Dette skyldes at vi lenge har visst hvordan vi kan få et presist elektrisk signal som svar på lys, noe som har blitt brukt i stor skala siden de første digitale kameraene. Derimot er lukt i hovedsak deteksjon av flyktige kjemiske stoffer.

Dette er mye vanskeligere av flere grunner:

• Luktstoffer er sjelden «rene». De forekommer i stedet i komplekse blandinger som kan komplisere deres påvisning.
• Deteksjonsterskelen som kreves for å matche menneskelig eller dyrelukt er svært lav, og oppdager konsentrasjoner vanligvis i ppm-området (del per million, eller 0,0001 %).
• Miniatyrisering er essensiell for de fleste anvendelser, og krever både avanserte brikker og lavt strømforbruk.
• Alle deteksjoner basert på en kjemisk reaksjon vil kreve regelmessig utskifting av katalysatorer eller kjemikalier som brukes i sensoren.

Av alle disse grunnene er de fleste digitale kjemiske/olfaktoriske deteksjoner for øyeblikket begrenset til noen få kjemiske forbindelser. Og de brukes vanligvis kun i industrielle miljøer hvor farlige kjemikalier som skal oppdages forventes å komme fra ulykker eller lekkasjer, for eksempel karbonmonoksid, ozon, klor osv.

Dette kan endre seg takket være utviklingen av biomimetiske olfaktoriske brikker av forskere i teamet til professor Fan Zhiyong, Chair Professor ved Hong Kong University of Science and Technology (HKUST).

Kilde: HKUST

Biomimetiske olfaktoriske brikker

Hvordan fungerer lukt?

Måten luktesansen fungerer på hos dyr og mennesker er gjennom et nettverk av «kjemiske detektorer» kalt olfaktoriske reseptorer, som kan oppdage et bredt spekter av flyktige kjemikalier med høy følsomhet.

Antallet gener som koder for slike olfaktoriske reseptorer kan variere fra 300 til 1 200, avhengig av arten og hvor viktig luktesansen er for den.

Dermed, i stedet for å ha én reseptor for hver mulig kjemisk molekyl, vil hver forbindelse ha et unikt «avtrykk» som produseres når den aktiverer hver av disse reseptorene litt forskjellig. Olfaktoriske bulber samler så dette komplekse signalet til et nervesignal og tolker det i en del av hjernen kalt olfaktorisk kompleks.

Bygging av en olfaktorisk brikke

Forskere ved HKUST har utviklet en metode for å replikere dette systemet, og omgår begrensningene ved å bygge en miniaturisert reseptor for hver mulig kjemisk forbindelse.

De satte sammen nanotubesensorarrayer på et nanoporøst underlag, og oppnådde opptil 10 000 individuelt adresserbare gassensorer per brikke.

Disse dataene behandles deretter av en nevralt nettverksalgoritme for å bli oversatt til en «oppfatning» av en spesifikk digital lukt.

Kilde: HKUST

Potensialet for olfaktoriske brikker

Dette designet gir de olfaktoriske brikkene potensialet til samtidig å oppdage både tilstedeværelsen og konsentrasjonen av et dusin eller flere kjemikalier på én gang.

Som en demonstrasjon laget teamet en biomimetisk olfaktorisk brikke som viste eksepsjonell følsomhet for ulike gasser, samt utmerket evne til å skille blandede gasser og 24 distinkte lukter.

Deretter integrerte de både den olfaktoriske brikken og visjonssensorer på en robothund, og skapte et kombinert olfaktorisk og visuelt system som nøyaktig kan identifisere objekter i lukkede bokser, nesten som en «ekte hund».

Kilde: HKUST

Anvendelser av olfaktoriske brikker

Sikkerhet

Den mest umiddelbare anvendelsen av olfaktoriske brikker er der de fleste kjemiske detektorer for tiden brukes: sikkerhetsapplikasjoner. Dette inkluderer fabrikker, vannbehandlingsanlegg, petrokjemisk industri, lekkasjedeteksjon i rør og miljøovervåkning (luftforurensning osv.).

Disse nye typene detektorer kan oppdage flere kjemikalier samtidig enn tidligere teknologier, noe som gir en større datastrøm og bedre sikkerhetsvurdering.

Forsvar og sikkerhet

Som demonstrert av robodog-prototypen, kan et slikt deteksjonssystem brukes til å oppdage ellers usynlige trusler. Fra narkotikasmugling til oppdagelse av sprengstoff, kan enhver aktivitet der sporhund brukes systematiseres, takket være sammenslåingen av AI, autonome roboter og olfaktoriske brikker.

Søk- og redningsoperasjoner kan også dra nytte av olfaktoriske brikker for å finne overlevende under ødelagte bygninger etter en naturkatastrofe.

Mat og jordbruk

En grunn til at de fleste dyr har en utviklet luktesans er for å oppdage om mat er spiselig eller ødelagt. Vi kan forestille oss at svært følsomme olfaktoriske brikker spesialisert på matprodukter kan være svært nyttige for næringsmiddelindustrien.

På samme måte kan jordbruksdroner også brukes til å lukte på frukternes modning, tilstedeværelsen av soppinfeksjoner i avlinger, insektferomoner osv.

Kreft- og sykdomsdeteksjon

Det har i en tid blitt kjent at noen sykdommer er knyttet til utslipp av spesifikke lukter. Anekdotisk data om katter eller hunder som kan oppdage kreft har nå blitt bevist som mer enn bare urbane myter gjennom bruk av kunstige sensorer.

Som mest bemerkelsesverdig har flere kreftformer begynt å bli oppdaget gjennom disse metodene, med den «elektroniske nesen» i stand til å gjøre dette med 95 % nøyaktighet.

Funnene antyder at det Penn‑utviklede verktøyet – som bruker kunstig intelligens og maskinlæring for å tyde blandingen av flyktige organiske forbindelser (VOC) som avgis fra celler i blodplasmaprøver – kan fungere som en ikke‑invasiv metode for å screene etter vanskeligere å oppdage kreftformer, som bukspyttkjertel- og eggstokkreft.
Penn Medicine News

Vi ser også selskaper som BrainChip (BRN.AX ) bruke digital olfaktorisk deteksjon for å oppdage bakterier i blodprøver.

Det er sannsynlig at jo mer følsomme olfaktoriske brikker blir, og jo flere titalls eller hundrevis av forbindelser de kan oppdage samtidig, jo mer kan slike oppdagelser brukes til diagnostikk, ikke bare av kreft men av mange andre sykdommer, spesielt metabolske sykdommer.

I motsetning til den nåværende versjonen, kan dette kanskje oppnås kun fra lukten av huden eller pusten vår, uten å trenge en blodprøve.

Smarttelefoner og elektronikk

Som et rent silisiumbasert system kan olfaktoriske brikker integreres i våre allestedsnærværende små elektroniske verktøy som smarttelefonen.

Det kan være nyttig å kontinuerlig overvåke og automatisk oppdage trusler som karbonmonoksid, røyk eller gasslekkasjer, eller vurdere matens sikkerhet.

Vi kan også forestille oss mer trivielle, men likevel potensielt nyttige og populære anvendelser, som hjelp under matlaging, gjenkjenning av krydder osv.

På lengre sikt, hvis den kobles med en «luktegenerator», kan den til og med muliggjøre digital overføring av (helst gode) lukter mellom telefoner.

Oppnå nye sanser

En annen, mer fjern i fremtiden, men ikke umulig anvendelse, ville være å integrere slik olfaktorisk brikkekapasitet i menneskekroppen.

Spesielt med tanke på den raske utviklingen av menneske‑maskin‑grensesnitt, som for eksempel Elon Musks Neuralink.

Vi kan lett forestille oss at en slik sensor integreres i kroppen vår og gir oss advarsler om skadelige kjemikalier på nivåer under det som er biologisk mulig. Eller for kjemikalier vi helt ikke kan oppdage naturlig.

“I fremtiden, med utviklingen av egnede biokompatible materialer, håper vi at den biomimetiske olfaktoriske brikken også kan plasseres på menneskekroppen for å la oss lukte lukt som normalt ikke kan oppfattes.

Den kan også overvåke avvik i flyktige organiske molekyler i vår pust og som avgis fra huden, for å advare oss om potensielle sykdommer, og dermed nå videre potensial for biomimetisk ingeniørkunst,”

Prof. Fan Zhiyong

Olfaktoriske brikke‑selskaper

Potensialet for olfaktoriske brikker vil sannsynligvis i de første årene være begrenset til «seriøse» anvendelser med klare bruksområder, fra sykdomsdiagnostikk til trusseldeteksjon. Så disse anvendelsene er mest sannsynlig der vi kan finne selskaper som kan dra nytte av denne innovasjonen.

(Denne listen inkluderte ikke brikkeselskaper med sterkt potensial innen olfaktoriske brikker og sensorer, men hvor den største delen av inntektene sannsynligvis vil forbli drevet av «klassiske» databrikker, som for eksempel Intels nevromorfe brikke eller IBMs SyNAPSE – Skalerbar energieffektiv nevrosynaptisk databrikke).

1. BrainChips Holdings (BRN.AX)

Dette kunstige intelligens-selskapet spesialiserer seg på å lage brikker som etterligner den menneskelige hjerne gjennom Neural Network Layer Engines (NPEs).

Det hevder å være det første som kommersialiserer nevromorfisk teknologi. Det ser også på seg selv som foran seriøse konkurrenter som IBM- og Intel (INTC ) ‑brikker, takket være on‑chip‑læring, standard ML‑arbeidsflyt og on‑chip‑konvolusjon.

Det fokuserer på visjon, lyd, lukt og smarte transduser‑applikasjoner.

Kilde: BrainChip

Dette gjør selskapet til en svært god kandidat til å dra nytte av fremskritt innen olfaktoriske brikker. Det kan direkte lisensiere HKUSTs oppdagelse, forsøke å replikere den, eller se sine egne brikker bli en nøkkelkomponent i maskinvaren som kreves for å tolke data fra nanotubesensorarrayer.

Selskapet ser et enormt potensialmarked for sine produkter, inkludert maskinsyn og luktekapasiteter.

Kilde: BrainChip

BrainChip har en høymargin IP‑forretningsmodell, hvor de lisensierer sin teknologi for et forskuddsgebyr og royalties‑strømmer, og deretter samarbeider med systemintegratorer for å lage sluttproduktet.

2. Honeywell

Honeywell er en leder innen deteksjon og sensorer, med en sterk eller dominerende tilstedeværelse i industrier som bygningsautomatisering, luftfart og sikkerhet (mange av deres luftfarts- og bygningsaktiviteter er knyttet til sensor‑teknologier).

Som en anerkjent leder innen sensorer og overvåkning, kan de være i en gunstig posisjon til å kommersialisere og utvide omfanget av gassdetektorer fra deres nåværende begrensede (men allerede lukrative) tilstand til et allestedsnærværende verktøy.

Kilde: Honeywell

Honeywell er også i frontlinjen av andre teknologiske innovasjoner, spesielt kvantedatabehandling gjennom sitt eierskap av 54 % av Quantunuum og en forretningssektor vi diskuterte i artikkelen vår «Den nåværende tilstanden for kvantedatabehandling».

Den er også aktiv innen Liquid Metal Printing, noe vi diskuterte i «Liquid Metal Printing kan bli en produktiv kraft i landskapet for produksjon og design».

Honeywell er allerede et enormt selskap innen sensor‑ og automatiseringssektoren, med ambisiøse mål innen et bredt spekter av innovative teknologier.

Så selv om biomimetiske olfaktoriske brikker kan være en konkurrent på kort sikt, er det sannsynlig at de vil kunne tilpasse seg og dra nytte av veksten i markedet for olfaktoriske sensorer, enten gjennom egen FoU eller gjennom oppkjøp av mindre selskaper.