Biomimetiska Luktchip: Kan AI och Elektroniska Näsor Bli Framtidens Varningssystem?

Svårigheterna med artificiell lukt

Maskinseende har utvecklats snabbt under de senaste åren, medan andra artificiella sinnen har varit svårare att återskapa. Ett exempel är luktsinnet.

Detta beror på att vi länge har vetat hur man får en exakt elektrisk signal som svar på ljus, något som har använts i massiv skala sedan de första digitalkamerorna. I kontrast är lukt i huvudsak detektering av flyktiga kemiska ämnen.

Det finns flera orsaker till att detta är svårt:

• Luktämnen är sällan “rena”. De förekommer istället i komplexa blandningar som kan komplicera deras detektering.
• För att efterlikna människors eller djurs luktsinne behövs hög känslighet. Detektionsgränsen varierar kraftigt mellan olika ämnen och kan ligga långt under en miljondel (ppm).
• Miniaturisering är avgörande för de flesta tillämpningar, vilket kräver både avancerade chip och låg strömförbrukning.
• Kemiska sensorer kan åldras, förorenas eller behöva kalibreras. Behovet av att byta sensor eller reagens beror på tekniken; alla kemiska detektorer förbrukar inte ett ämne vid varje mätning.

Många kommersiella gasdetektorer är därför inriktade på ett begränsat urval av ämnen. De används bland annat för att upptäcka farliga utsläpp och läckor i industrin, exempelvis kolmonoxid, ozon eller klor.

Detta kan förändras tack vare utvecklingen av biomimetiska luktchips av forskare i teamet ledd av Prof. Fan Zhiyong, Chair Professor vid Hong Kong University of Science and Technology (HKUST).

Källa: HKUST

Biomimetiska luktchips

Hur fungerar lukt?

Hos människor och djur bygger luktsinnet på luktreceptorer som reagerar på flyktiga ämnen. Olika receptorer har överlappande känslighet för olika molekyler.

Antalet fungerande gener för luktreceptorer varierar mellan arter. Människan har några hundra, medan vissa andra däggdjur har över tusen.

Det finns alltså inte en separat receptor för varje tänkbar luktmolekyl. Ett ämne ger i stället upphov till ett aktivitetsmönster över flera receptorer. Signalerna bearbetas i luktbulben och i hjärnans luktområden, där de bidrar till luktupplevelsen.

Bygga luktchips

Forskarna vid HKUST har utvecklat ett sätt att efterlikna denna mönsterbaserade detektion utan att tillverka en unik sensor för varje ämne.

De integrerade matriser av nanorörssensorer på nanoporösa substrat, med upp till 10 000 individuellt adresserbara gassensorer per chip.

Sensorernas signalmönster bearbetas med neurala nätverk för att klassificera gaser och lukter.

Källa: HKUST

Potential för luktchips

Många olika sensorresponser på samma chip gör det möjligt att analysera komplexa luktmönster och gasblandningar.

I försöken kunde systemet skilja mellan gasblandningar och 24 olika lukter. Resultaten gäller de testade ämnena och förhållandena.

Forskarna kombinerade också chipet med synsensorer på en robothund. Systemet demonstrerade hur lukt- och bildinformation kunde användas tillsammans för att identifiera föremål i slutna lådor.

Källa: HKUST

Tillämpningar för luktchips

Säkerhet

Möjliga användningsområden är säkerhetsövervakning i fabriker, vattenreningsanläggningar och petrokemisk industri, liksom läckagesökning och kontroll av luftföroreningar.

Sensorer som skiljer mellan flera ämnen skulle kunna ge mer information än en detektor för en enda gas. Praktisk säkerhetsanvändning kräver dock validering för de aktuella ämnena och miljöerna.

Försvar och säkerhet

Kombinationen av robotik, AI och kemiska sensorer skulle kunna användas för att söka efter exempelvis explosiva ämnen eller narkotika. Detta är möjliga tillämpningar, inte något som robothundsdemonstrationen i sig har bevisat.

Även sök- och räddningsarbete skulle kunna dra nytta av sådan teknik, om systemen kan valideras under verkliga förhållanden.

Livsmedel och jordbruk

Luktsinnet hjälper djur att bedöma föda. Specialiserade sensorer skulle på liknande sätt kunna upptäcka ämnen som förknippas med mognad eller försämrad livsmedelskvalitet.

Inom jordbruket skulle sensorer på exempelvis drönare kunna undersöka flyktiga ämnen från frukter, växtsjukdomar eller insekter. Säker livsmedelsbedömning kan dock inte garanteras av luktmätning ensam.

Cancer- och sjukdomsdetektion

Vissa sjukdomar kan förändra de flyktiga organiska ämnen som kroppen avger. Elektroniska näsor undersöks därför som möjliga verktyg för sjukdomsdetektion.

I en tidig studie från University of Pennsylvania kunde en elektronisk näsa skilja vissa cancerprover från kontrollprover med upp till 95 % träffsäkerhet. Det är inte samma sak som 95 % säkerhet vid allmän cancerscreening.

Verktyget analyserade mönster av flyktiga organiska ämnen från blodplasmaprover med AI och maskininlärning. Forskarna såg potential för bland annat bukspottkörtel- och äggstockscancer, men klinisk användning kräver större valideringsstudier.Penn Medicine News

BrainChip (BRN.AX ) har också publicerat forskning om neuromorf bearbetning av data från elektroniska näsor för klassificering av bakterier i blodprover. Det innebär inte att företaget har en godkänd rutinmetod för patientdiagnostik.

Ökad känslighet och bättre analys av gasblandningar skulle kunna öppna fler medicinska forskningsområden. Varje användning behöver dock utvärderas med avseende på bland annat känslighet, specificitet och reproducerbarhet.

Vissa forskningsspår gäller ämnen i utandningsluft eller från huden, vilket skulle kunna minska behovet av blodprov. Detta är inte en etablerad ersättning för dagens diagnostik.

Smarttelefoner och elektronik

Små luktchips skulle i framtiden kunna integreras i bärbar elektronik. HKUST:s sensorplattform är dock inte ett rent kiselbaserat system, och integrationen kräver ytterligare utveckling.

Tänkbara funktioner omfattar varningar för vissa gaser, rök eller läckor. En sådan produkt måste uppfylla relevanta säkerhetskrav och får inte utan validering ersätta godkända larm.

Andra tänkbara tillämpningar är hjälp vid matlagning eller igenkänning av kryddor.

På längre sikt skulle en kombination med en doftgenerator kunna låta en telefon återskapa en uppmätt lukt. Det skulle innebära digital överföring av information om lukten, inte av själva molekylerna.

Att få nya sinnen

En mer avlägsen möjlighet är att använda luktchip nära eller på människokroppen för att ge ytterligare information om omgivningen.

Utvecklingen av gränssnitt mellan människa och maskin, exempelvis Neuralink, väcker frågor om sådana framtida tillämpningar. Den visar dock inte att luktchip redan kan kopplas till människans nervsystem.

En sensor skulle kunna varna för ämnen som vi inte känner naturligt eller som förekommer under vår lukttröskel. Biokompatibilitet, säkerhet och användbarhet återstår att utreda.

”I framtiden hoppas vi att lämpliga biokompatibla material ska göra det möjligt att placera biomimetiska luktchip på människokroppen så att vi kan upptäcka lukter som vi normalt inte känner.

De skulle också kunna övervaka avvikelser i flyktiga organiska ämnen i utandningsluften och från huden och varna för möjliga sjukdomar, vilket skulle ge biomimetisk teknik ytterligare möjligheter.”

Professor Fan Zhiyong

Företag inom luktchips

De första kommersiella tillämpningarna skulle kunna finnas inom avgränsade områden som industriell säkerhet eller medicinsk forskning. Vilka företag som gynnas beror på teknisk validering, kostnader och efterfrågan.

Listan nedan omfattar inte alla större chiptillverkare som arbetar med relaterad teknik, exempelvis Intels neuromorfa chip (INTC ) eller IBM:s SyNAPSE, ett projekt för energieffektiv neurosynaptisk databehandling.

1. BrainChip Holdings (BRN.AX)

BrainChip utvecklar neuromorf AI-teknik som efterliknar vissa principer för hjärnans informationsbehandling. Tekniken är avsedd för energisnål bearbetning av sensorinformation.

Företaget beskriver sig som en tidig kommersiell aktör inom neuromorf teknik. Det lyfter bland annat fram inlärning på chipet och stöd för maskininlärning. Påståenden om försprång gentemot IBM eller Intel måste bedömas för specifika tillämpningar.

Tillämpningarna omfattar bild, ljud, lukt och andra sensorsignaler.

Källa: BrainChip

BrainChips teknik skulle kunna användas för att tolka data från luktgivare. Det finns däremot ingen här bekräftad licensaffär med HKUST, och en sådan framtida affär bör inte behandlas som ett faktum.

Företaget bedömer att bland annat maskinseende och luktanalys kan skapa efterfrågan på dess produkter.

Källa: BrainChip

BrainChip licensierar immateriella rättigheter genom bland annat förskottsavgifter och royaltyavtal och samarbetar med systemintegratörer. Affärsmodellens möjliga marginaler innebär inte att intäkter eller lönsamhet är garanterade.

2. Honeywell

Honeywell är en stor leverantör av sensorer, detektorer och automationssystem för bland annat byggnader, flyg och säkerhet.

Erfarenheten av gasdetektion och övervakning skulle kunna underlätta utvecklingen av nya sensorprodukter. Kommersiell framgång med biomimetiska luktchip är dock inte given.

Källa: Honeywell

Honeywell har också verksamhet inom andra avancerade tekniker, bland annat kvantberäkning genom sitt majoritetsägande i Quantinuum. Detta område behandlade vi i artikeln ”Det aktuella läget inom kvantberäkning”.

En annan tillverkningsteknik som vi har behandlat är flytande metallutskrift, i artikeln ”Utskrift med flytande metall kan förändra tillverkning och design”. Det visar inte i sig att Honeywell använder den specifika forskningsmetoden.

Honeywell har en stor verksamhet inom sensorer och automation och investerar i flera teknikområden.

Nya luktchips kan både konkurrera med befintliga lösningar och skapa utvecklingsmöjligheter. Honeywell skulle kunna delta genom egen forskning eller förvärv, men framtida marknadsandelar och avkastning är osäkra.