Chips Olfativos Biomiméticos: A Inteligência Artificial e os Narizes Eletrônicos são o Próximo Canário em uma Mina de Carvão?

As Dificuldades da Olfação Artificial

Embora a visão computacional tenha feito progressos tremendos nos últimos anos, outros sentidos artificiais ficaram para trás. Um deles é o sentido da olfação ou ‘cheiro’.

Isso ocorre porque já sabemos há muito tempo como obter um sinal elétrico preciso em resposta à luz, algo que tem sido usado em larga escala desde as primeiras câmeras digitais. Em contraste, o cheiro é essencialmente a detecção de substâncias químicas voláteis.

Isso é muito mais difícil por algumas razões:

• Os compostos odoríferos raramente são “puros”. Em vez disso, estão presentes em misturas complexas que podem complicar sua detecção.
• O limiar de detecção necessário para igualar o sentido de olfato humano ou animal é muito baixo, detectando concentrações geralmente na faixa de ppm (partes por milhão, ou 0,0001%).
• A miniaturização é essencial para a maioria das aplicações, exigindo tanto chips avançados quanto baixo consumo de energia.
• Qualquer detecção baseada em uma reação química exigirá mudanças regulares dos catalisadores ou produtos químicos usados no sensor.

Por todas essas razões, a maioria das detecções digitais químicas/olfativas está atualmente limitada a alguns compostos químicos. E geralmente é usada apenas em ambientes industriais onde os produtos químicos perigosos a serem detectados são esperados de acidentes ou vazamentos, por exemplo, monóxido de carbono, ozônio, cloro, etc.

Isso pode mudar graças ao desenvolvimento de chips olfativos biomiméticos pelos pesquisadores da equipe do Prof. Fan Zhiyong, Chair Professor na Universidade de Hong Kong de Ciência e Tecnologia (HKUST).

Fonte: HKUST

Chips Olfativos Biomiméticos

Como Funciona o Olfato?

O sentido do olfato em animais e humanos funciona por meio de um conjunto de “detectores químicos” chamados receptores olfativos, capazes de detectar com alta sensibilidade uma ampla gama de compostos voláteis.

O número de genes que codificam esses receptores olfativos pode variar de 300 a 1.200, dependendo da espécie e da importância que o sentido do olfato tem para ela.

Assim, em vez de ter um receptor para cada molécula química possível, cada composto terá uma “impressão digital” única produzida ao ativar cada um desses receptores de forma ligeiramente diferente. Os bulbos olfativos então juntam esse sinal complexo em um sinal nervoso e o interpretam por uma parte do cérebro chamada complexo olfativo.

Construindo Chips Olfativos

Pesquisadores da HKUST criaram uma forma de replicar esse sistema, contornando as limitações de construir um receptor miniaturizado para cada composto químico possível.

Eles montaram arrays de sensores de nanotubos em um substrato nanoporooso, alcançando até 10.000 sensores de gás individualmente endereçáveis por chip.

Esses dados são então processados por um algoritmo de rede neural para serem traduzidos em uma “percepção” de um cheiro digital específico.

Fonte: HKUST

Potencial dos Chips Olfativos

Esse design confere aos chips olfativos o potencial de detectar simultaneamente tanto a presença quanto a concentração de uma dúzia ou mais de químicos de uma só vez.

Como demonstração, a equipe criou um chip olfativo biomimético que mostrou sensibilidade excepcional a vários gases, e com excelente capacidade de distinção para gases misturados e 24 odores distintos.

Em seguida, integraram tanto o chip olfativo quanto sensores de visão em um cão robô, criando um sistema combinado de olfato e visão que pode identificar com precisão objetos em caixas cegas, praticamente como um “cão real”.

Fonte: HKUST

Aplicações dos Chips Olfativos

Segurança

A aplicação mais imediata dos chips olfativos é onde a maioria dos detectores químicos é atualmente usada: aplicações de segurança. Isso inclui fábricas, estações de tratamento de água, indústrias petroquímicas, detecção de vazamentos em tubulações e monitoramento ambiental (poluição do ar, etc.).

Esses novos tipos de detectores poderiam detectar mais químicos de uma vez do que as tecnologias anteriores, permitindo um fluxo de dados maior e uma melhor avaliação da segurança.

Defesa & Segurança

Como demonstrado pelo protótipo de robô-cão, tal sistema de detecção poderia ser usado para identificar ameaças invisíveis. Desde o contrabando de drogas até a detecção de explosivos, toda atividade em que cães farejadores são usados poderia ser sistematizada, graças à combinação de IA, robótica autônoma e chips olfativos.

Busca e resgate também poderiam se beneficiar dos chips olfativos para encontrar sobreviventes sob edifícios destruídos após uma catástrofe natural.

Alimentos & Agricultura

Um motivo pelo qual a maioria dos animais desenvolve um sentido de olfato apurado é detectar se um alimento é comestível ou está estragado. Podemos imaginar que chips olfativos muito sensíveis, especializados em produtos alimentícios, poderiam ser muito úteis para a indústria de alimentos.

Da mesma forma, drones agrícolas poderiam ser usados para sentir o amadurecimento de frutas, a presença de doenças fúngicas nas plantações, feromônios de insetos, etc.

Detecção de Câncer e Doenças

Já se sabe há algum tempo que algumas doenças estão associadas à emissão de cheiros específicos. Dados anedóticos de gatos ou cães capazes de detectar câncer foram agora comprovados como mais que meros mitos urbanos através do uso de sensores artificiais.

Mais notavelmente, vários tipos de câncer começaram a ser detectados por esses métodos, com o “nariz eletrônico” capaz de fazê-lo com 95% de precisão.

As descobertas sugerem que a ferramenta desenvolvida pela Penn — que usa inteligência artificial e aprendizado de máquina para decifrar a mistura de compostos orgânicos voláteis (VOCs) emitidos por células em amostras de plasma sanguíneo — poderia servir como uma abordagem não invasiva para rastrear cânceres mais difíceis de detectar, como os pancreáticos e ovarianos.

Penn Medicine News

Também vemos empresas como a BrainChip (BRN.AX ) usando detecção olfativa digital para detectar bactérias em amostras de sangue.

É provável que, quanto mais sensíveis os chips olfativos se tornarem e capazes de detectar dezenas ou centenas de compostos de uma só vez, mais essas descobertas poderão ser usadas para diagnóstico, não apenas de câncer, mas de muitas outras doenças, especialmente metabólicas.

Ao contrário da versão atual, isso poderia ser alcançado apenas a partir do cheiro da nossa pele ou respiração, sem nem precisar de uma amostra de sangue.

Smartphones & Eletrônicos

Como um sistema puramente baseado em silício, os chips olfativos poderiam ser integrados em nossas onipresentes pequenas ferramentas eletrônicas, como o smartphone.

Isso poderia ser útil para monitorar constantemente e detectar automaticamente ameaças como monóxido de carbono, fumaça ou vazamentos de gás, ou avaliar a segurança dos alimentos.

Também poderíamos imaginar aplicações mais triviais, mas ainda assim potencialmente úteis e populares, como auxiliar durante o cozimento, reconhecer especiarias, etc.

No longo prazo, se acoplado a um “gerador de cheiro”, poderia até permitir a transferência digital de cheiros (de preferência agradáveis) entre telefones.

Adquirindo Novos Sentidos

Outra aplicação mais distante no futuro, mas não impossível, seria integrar essa capacidade dos chips olfativos ao corpo humano.

Especialmente considerando o rápido progresso das interfaces homem‑máquina, como, por exemplo, o Neuralink de Elon Musk.

“No futuro, com o desenvolvimento de materiais biocompatíveis adequados, esperamos que o chip olfativo biomimético possa ser colocado no corpo humano para nos permitir cheirar odores que normalmente não podem ser percebidos.

Ele também pode monitorar anomalias nas moléculas orgânicas voláteis em nossa respiração e emitidas pela nossa pele, para nos alertar sobre doenças potenciais, ampliando o potencial da engenharia biomimética,”

Prof. Fan Zhiyong

Empresas de Chips Olfativos

O potencial dos chips olfativos provavelmente ficará confinado nos primeiros anos a aplicações “sérias” com casos de uso claros, desde diagnóstico de doenças até detecção de ameaças. Portanto, essas aplicações são as mais prováveis onde podemos encontrar empresas que poderiam se beneficiar dessa inovação.

(esta lista não incluiu empresas de chips com forte potencial em chips e sensores olfativos, mas cuja maior parte das receitas provavelmente continuará sendo impulsionada por chips de computação “clássicos”, como, por exemplo, o chip neuromórfico da Intel (INTC ) ou o SyNAPSE da IBM – chip de computação neuro‑sináptica escalável e energeticamente eficiente).

1. BrainChips Holdings (BRN.AX)

Esta empresa de inteligência artificial especializa‑se em criar chips que imitam o cérebro humano através de Neural Network Layer Engines (NPEs).

Ela afirma ser a primeira a comercializar a tecnologia neuromórfica. Também se vê à frente de concorrentes sérios como os chips da IBM e da Intel, graças ao aprendizado on‑chip, fluxo de trabalho padrão de ML e convolução on‑chip.

Ela está focada em aplicações de visão, áudio, olfato e transdutores inteligentes.

Fonte: BrainChip

Isso torna a empresa um candidato muito bom para se beneficiar dos avanços em chips olfativos. Ela poderia licenciar diretamente a descoberta da HKUST, tentar replicá‑la ou ver seus próprios chips se tornarem uma parte fundamental do hardware necessário para interpretar os dados do array de sensores de nanotubos.

A empresa vê um mercado potencial massivo para seus produtos, incluindo visão de máquina e capacidades olfativas.

Fonte: BrainChip

A BrainChip tem um modelo de negócios de IP de alta margem, onde licencia sua tecnologia mediante uma taxa inicial e fluxos de royalties, e depois faz parcerias com integradores de sistemas para criar o produto final.

2. Honeywell

A Honeywell é líder em detecção & sensores, com forte ou dominante presença em indústrias como automação predial, aeroespacial e segurança (muitas de suas atividades aeroespaciais e prediais estão ligadas a tecnologias de sensores).

Como líder reconhecida em sensores & monitoramento, poderia estar em posição privilegiada para comercializar e expandir o escopo dos detectores de gás de seu estado atual limitado (mas já lucrativo) para uma ferramenta onipresente.

Fonte: Honeywell

A Honeywell também está na vanguarda de outras inovações tecnológicas, notavelmente computação quântica através de sua participação de 54% na Quantunuum e um setor de negócios que discutimos em nosso artigo “O Estado Atual da Computação Quântica”.

Também está ativa em impressão de metal líquido, algo que discutimos em \”Impressão de Metal Líquido Pode Se Tornar uma ‘Força Produtiva no Cenário de Fabricação e Design”.

A Honeywell já é uma empresa enorme no setor de sensores e automação, com metas ambiciosas em uma ampla gama de tecnologias inovadoras.

Portanto, mesmo que os chips olfativos biomiméticos possam ser um concorrente no curto prazo, é provável que a empresa consiga se adaptar e se beneficiar do crescimento do mercado de sensores olfativos, seja através de seu próprio P&D ou por meio de aquisições de empresas menores.