Biomimetic na mga Chip sa Olfaksiyon: Ang Artipisyal na Intelihensiya at E-Noses ba ang Susunod na Canario sa Minahan ng Uling?

Ang mga Hamon ng Artipisyal na Olfaksiyon

Habang ang machine vision ay nagkaroon ng napakalaking pag-unlad sa mga nakaraang taon, ang iba pang artipisyal na pandama ay napag-iwanan. Isa rito ang pandama ng olfaksiyon o “amoy”.

Ito ay dahil matagal na nating alam kung paano makuha ang tumpak na signal na elektrikal bilang tugon sa liwanag, isang bagay na ginagamit nang malawak simula pa noong unang mga digital camera. Sa kabilang banda, ang amoy ay pangunahing pagtuklas ng mga volatile na kemikal na sangkap.

Ito ay mas mahirap dahil sa ilang kadahilanan:

• Ang mga kemikal na amoy ay bihirang “purong”. Sa halip, ito ay naroroon sa mga komplikadong halo na maaaring magpahirap sa kanilang pagtuklas.
• Ang antas ng pagtuklas na kinakailangan upang umabot sa antas ng amoy ng tao o hayop ay napakababa, karaniwang nakaka-detect ng konsentrasyon sa saklaw na ppm (part per million, o 0.0001%).
• Ang miniaturisasyon ay mahalaga para sa karamihan ng mga aplikasyon, na nangangailangan ng parehong advanced na mga chip at mababang konsumo ng enerhiya.
• Ang anumang pagtuklas na batay sa kemikal na reaksyon ay mangangailangan ng regular na pagpapalit ng mga katalista o kemikal na ginagamit sa sensor.

Dahil sa lahat ng mga kadahilanang ito, ang karamihan ng digital na pagtuklas ng kemikal / olfaksiyon ay kasalukuyang limitado sa ilang mga kemikal na sangkap. At karaniwang ginagamit lamang sa industriyal na kapaligiran kung saan ang mga mapanganib na kemikal na kailangang matuklasan ay inaasahang nagmumula sa mga aksidente o pagtagas, tulad ng carbon monoxide, ozone, chlorine, atbp.

Maaaring magbago ito dahil sa pag-unlad ng biomimetic na mga chip sa olfaksiyon ng mga mananaliksik sa pangkat ni Propesor Fan Zhiyong, Chair Professor sa Hong Kong University of Science and Technology (HKUST).

Pinagmulan: HKUST

Biomimetic na Mga Chip sa Olfaksiyon

Paano Gumagana ang Amoy?

Ang paraan kung paano gumagana ang pandama ng amoy sa mga hayop at tao ay sa pamamagitan ng hanay ng mga “detektor ng kemikal” na tinatawag na mga olfactory receptor, na kayang mag-detect nang may mataas na sensitibidad ng malawak na hanay ng mga volatile na kemikal.

Ang bilang ng mga gene na nagko-code para sa mga ganitong olfactory receptor ay maaaring mag-iba mula 300 hanggang 1,200 depende sa species at kung gaano kahalaga ang pandama ng amoy para dito.

Kaya, sa halip na magkaroon ng isang receptor para sa bawat posibleng molekula ng kemikal, bawat compound ay magkakaroon ng natatanging “bakas” na nabubuo kapag bahagyang iba ang pag-aktibo ng bawat receptor. Ang mga olfactory bulb ay nagbubuo ng komplikadong signal na ito tungo sa isang nerve signal at ini-interpret ito ng bahagi ng utak na tinatawag na olfactory complex.

Pagbuo ng Mga Chip sa Olfaksiyon

Nilikha ng mga mananaliksik ng HKUST ang isang paraan upang ulitin ang sistemang ito, na nilalampasan ang mga limitasyon ng paggawa ng miniaturized na receptor para sa bawat posibleng kemikal na compound.

Pinagsama nila ang mga nanotube sensor array sa isang nanoporous substrate, na umabot hanggang 10,000 na indibidwal na addressable na gas sensor bawat chip.

Ang datos na ito ay pagkatapos pinoproseso ng isang neural network algorithm upang maisalin ito sa isang “persepsyon” ng isang tiyak na kemikal na digital na amoy.

Pinagmulan: HKUST

Potensyal ng Mga Chip sa Olfaksiyon

Ang disenyo na ito ay nagbibigay sa mga chip sa olfaksiyon ng potensyal na sabay-sabay na matuklasan ang presensya at konsentrasyon ng isang dosenang o higit pang mga kemikal nang sabay.

Bilang demonstrasyon, lumikha ang koponan ng isang biomimetic na chip sa olfaksiyon na nagpakita ng pambihirang sensitibidad sa iba’t ibang gas, at may mahusay na kakayahang makilala ang halo ng mga gas at 24 na natatanging amoy.

Pagkatapos, kanilang isinama ang parehong chip sa olfaksiyon at mga sensor ng biswal sa isang robot na aso, na lumikha ng pinagsamang sistema ng olfaksiyon at biswal na maaaring tumpak na kilalanin ang mga bagay sa mga nakapiring na kahon, halos katulad ng isang “tunay na aso”.

Pinagmulan: HKUST

Mga Aplikasyon ng Mga Chip sa Olfaksiyon

Kaligtasan

Ang pinaka-agad na aplikasyon ng mga chip sa olfaksiyon ay kung saan karamihan ng mga kemikal na detector ay kasalukuyang ginagamit: mga aplikasyon sa kaligtasan. Kabilang dito ang mga pabrika, istasyon ng paggamot ng tubig, industriya ng petrochemical, pagtuklas ng pagtagas ng tubo, at pangkapaligirang pagmamanman (polusyon sa hangin, atbp.).

Ang mga bagong uri ng detector na ito ay maaaring mag-detect ng mas maraming kemikal nang sabay kumpara sa mga nakaraang teknolohiya, na nagbibigay-daan sa mas malaking daloy ng datos at mas mahusay na pagsusuri ng kaligtasan.

Depensa at Seguridad

Tulad ng ipinakita ng prototype na robodog, ang ganitong sistema ng pagtuklas ay maaaring magamit upang matukoy ang mga banta na hindi nakikita. Mula sa smuggling ng droga hanggang sa pagtuklas ng mga pampasabog, bawat aktibidad kung saan ginagamit ang mga sniffer dog ay maaaring sistematisahin, salamat sa pagsasama ng AI, autonomous robotics, at mga chip sa olfaksiyon.

Ang paghahanap at pagsagip ay maaari ring makinabang mula sa mga chip sa olfaksiyon upang mahanap ang mga nakaligtas sa ilalim ng mga nasirang gusali matapos ang isang natural na kalamidad.

Pagkain at Pagsasaka

Isa sa mga dahilan kung bakit karamihan ng hayop ay may maunlad na pandama ng amoy ay upang matukoy kung ang pagkain ay maaaring kainin o nasira na. Maiimagine natin na ang napaka-sensitibong mga chip sa olfaksiyon na espesyalista sa mga produktong pagkain ay maaaring maging napaka-kapaki-pakinabang para sa industriya ng pagkain.

Gayundin, ang mga drone sa pagsasaka ay maaaring magamit upang amuyin ang paghinog ng prutas, ang presensya ng fungal na sakit sa pananim, mga pheromone ng insekto, atbp.

Pag-detect ng Kanser at Sakit

Matagal nang alam na ang ilang sakit ay may kaugnayan sa paglabas ng tiyak na amoy. Ang mga anekdotikong datos ng mga pusa o aso na nakakakita ng kanser ay napatunayan na higit pa sa mga urban myth sa pamamagitan ng paggamit ng mga artipisyal na sensor.

Lalo na, ilang kanser na ang nagsimulang matuklasan sa pamamagitan ng mga metodong ito, na ang “electronic nose” ay kayang gawin ito nang may 95% na katumpakan.

Ipinapahiwatig ng mga natuklasan na ang tool na binuo ng Penn — na gumagamit ng artificial intelligence at machine learning upang tuklasin ang halo ng mga volatile organic compounds (VOCs) na inilalabas ng mga selula sa mga sample ng dugo — ay maaaring magsilbing isang hindi-nag-iinvad na paraan upang magsuri ng mga kanser na mahirap matuklasan, tulad ng pancreatic at ovarian.

Penn Medicine News

Nakikita rin natin ang mga kumpanya tulad ng BrainChip (BRN.AX ) na gumagamit ng digital na pagtuklas ng olfaksiyon upang matukoy ang bakterya sa mga sample ng dugo.

Malamang na habang nagiging mas sensitibo ang mga chip sa olfaksiyon at kayang mag-detect ng dose-dosenang o daan-daang compound nang sabay, mas marami pang ganitong mga tuklas ang maaaring magamit para sa diagnosis, hindi lamang ng kanser kundi ng maraming iba pang sakit, lalo na ang mga metabolic na sakit.

Salungat sa kasalukuyang bersyon, maaaring makamit ito mula lamang sa amoy ng ating balat o hininga, nang hindi na kailangan ng sample ng dugo.

Smartphone at Elektroniko

Bilang isang purong silicon-based na sistema, ang mga chip sa olfaksiyon ay maaaring maisama sa ating palaging naroroon na maliliit na kagamitang elektronik tulad ng smartphone.

Maaari itong maging kapaki-pakinabang upang patuloy na subaybayan at awtomatikong matuklasan ang mga banta tulad ng carbon monoxide, usok, o pagtagas ng gas o tasahin ang kaligtasan ng pagkain.

Maaari rin nating maisip ang mga mas simpleng ngunit kapaki-pakinabang at popular na aplikasyon, tulad ng pagtulong habang nagluluto, pagkilala sa mga pampalasa, atbp.

Sa mas mahabang panahon, kung pagsasamahin ito sa isang “smell generator”, maaari pa nitong paganahin ang digital na paglilipat ng (mas mainam na mabubuting) amoy sa pagitan ng mga telepono.

Pagkakaroon ng Bagong Pandama

Isa pang mas malayong aplikasyon sa hinaharap, ngunit hindi imposibleng gawin ay ang pagsasama ng kakayahan ng mga chip sa olfaksiyon sa katawan ng tao.

Lalo na kung isasaalang-alang ang mabilis na pag-unlad ng mga human-machine interface, tulad halimbawa ng Neuralink ni Elon Musk.

Maaari nating madaling maisip na ang ganitong sensor ay maisasama sa ating mga katawan at magbibigay ng babala tungkol sa mapanganib na kemikal sa antas na mas mababa kaysa sa kung ano ang kayang matuklasan ng biyolohikal na paraan. O para sa mga kemikal na hindi natin kayang matuklasan nang natural.

“Sa hinaharap, sa pag-unlad ng angkop na bio-compatible na mga materyales, umaasa kami na ang biomimetic na chip sa olfaksiyon ay maaari ring ilagay sa katawan ng tao upang payagan tayong amuyin ang mga amoy na karaniwang hindi kayang amuyin.

Maaari rin nitong subaybayan ang mga abnormalidad sa mga volatile organic molecule sa ating hininga at inilalabas ng ating balat, upang magbigay ng babala sa potensyal na mga sakit, na nagdadala ng mas malawak na potensyal ng biomimetic engineering,”

Prof. Fan Zhiyong

Mga Kumpanya ng Chip sa Olfaksiyon

Ang potensyal ng mga chip sa olfaksiyon ay malamang na limitado sa mga unang taon sa mga “seryosong” aplikasyon na may malinaw na mga kaso ng paggamit, mula sa diagnostic ng sakit hanggang sa pagtuklas ng banta. Kaya’t ang mga aplikasyon na ito ay malamang na kung saan natin makikita ang mga kumpanya na maaaring makinabang mula sa inobasyong ito.

(ang listahang ito ay hindi kasama ang mga kumpanyang chip na may malakas na potensyal sa mga chip at sensor ng olfaksiyon, ngunit kung saan ang pinakamalaking bahagi ng kanilang kita ay malamang na manatiling pinapatakbo ng “klasikal” na mga chip sa computing, tulad halimbawa ng Intel’s neuromorphic chip (INTC ) o IBM’s SyNAPSE – Scalable energy-efficient neuro synaptic computing chip).

1. BrainChips Holdings (BRN.AX)

Ang kumpanyang ito sa artificial intelligence ay dalubhasa sa paglikha ng mga chip na ginagaya ang utak ng tao sa pamamagitan ng Neural Network Layer Engines (NPEs).

Ipinapahayag nito na ito ang unang nag-komersyalisa ng neuromorphic technology. Nakikita rin nito ang sarili nito na nauuna sa mga seryosong kakompetensya tulad ng mga chip ng IBM at Intel, salamat sa on-chip learning, standard ML workflow, at on-chip convolution.

Nakatuon ito sa mga aplikasyon ng biswal, audio, olfaksiyon, at smart transducer.

Pinagmulan: BrainChip

Ginagawa nitong kumpanya na isang napakagandang kandidato upang makinabang mula sa pag-unlad ng mga chip sa olfaksiyon. Maaari itong direktang lisensyahan ang tuklas ng HKUST, subukang ulitin ito, o makita ang sarili nitong mga chip na maging susi sa hardware na kinakailangan para i-interpret ang datos mula sa nanotube sensor array.

Nakikita ng kumpanya ang napakalaking potensyal na merkado para sa mga produkto nito, kabilang ang machine vision at kakayahan sa olfaksiyon.

Pinagmulan: BrainChip

BrainChip ay may high-margin IP business model, kung saan nililisensya nito ang teknolohiya para sa isang paunang bayad at mga royalty stream, at pagkatapos ay nakikipagtulungan sa mga system integrator upang lumikha ng panghuling produkto.

2. Honeywell

Ang Honeywell ay nangunguna sa detection at sensors, na may malakas o namumunong presensya sa mga industriya tulad ng building automation, aerospace, at kaligtasan (marami sa mga gawain nito sa aerospace at building ay konektado sa teknolohiya ng sensor).

Bilang kinikilalang lider sa sensors at monitoring, maaari itong mapabilang sa pangunahing posisyon upang i-komersyalisa at palawakin ang saklaw ng mga gas detector mula sa kasalukuyang limitadong (ngunit kumikita na) estado patungo sa isang omnipresent na kasangkapan.

Pinagmulan: Honeywell

Ang Honeywell ay nasa unahan din ng iba pang mga teknolohikal na inobasyon, lalo na ang quantum computing sa pamamagitan ng pagmamay-ari nito ng 54% ng Quantunuum at isang sektor ng negosyo na tinalakay namin sa aming artikulo “The Current State of Quantum Computing ”.

Aktibo rin ito sa Liquid Metal Printing, isang bagay na tinalakay namin sa “Liquid Metal Printing May Become a ‘Productive Force in the Landscape of Manufacturing and Design”.

Ang Honeywell ay isa nang napakalaking kumpanya sa sektor ng sensor at automation, na may ambisyosong mga layunin sa malawak na hanay ng mga inobatibong teknolohiya.

Kaya kahit na ang biomimetic na mga chip sa olfaksiyon ay maaaring maging kakompetensya sa maikling panahon, malamang na ito ay makakabagay at makinabang mula sa paglago ng merkado ng mga sensor sa olfaksiyon, alinman sa pamamagitan ng sariling R&D o sa pamamagitan ng pagkuha ng mas maliliit na kumpanya.