Biyomimetik Koku Çipleri: Yapay Zeka ve E‑Nose’lar Kömür Madenciliğinde Bir Sonraki Kanarya mı?

Yapay Koku Algılamanın Zorlukları

Makine görüsü son birkaç yılda muazzam ilerleme kaydetmişken, diğer yapay duyular geride kalmıştır. Bunlardan biri koku ya da ‘olfaksiyon’ duyusudur.

Bunun nedeni, ışığa yanıt olarak kesin bir elektrik sinyali elde etmenin uzun zamandır biliniyor olmasıdır; bu, ilk dijital kameralarından beri büyük ölçekte kullanılmaktadır. Buna karşılık koku, esasen uçucu kimyasal maddelerin tespitidir.

Bu, birkaç nedenden dolayı çok daha zordur:

• Koku maddeleri nadiren “saf”dır. Bunun yerine, tespiti zorlaştırabilecek karmaşık karışımlarda bulunurlar.
• İnsan veya hayvan koku duyusuna eşdeğer bir algı eşiği çok düşüktür; genellikle ppm (milyonda bir) seviyelerinde konsantrasyonları tespit eder.
• Küçültme, çoğu uygulama için hayati öneme sahiptir; hem gelişmiş çipler hem de düşük enerji tüketimi gerektirir.
• Kimyasal reaksiyona dayalı herhangi bir tespit, sensörde kullanılan katalizörlerin veya kimyasalların düzenli olarak değiştirilmesini gerektirir.

Bu nedenlerle, mevcut kimyasal/koku dijital tespiti çoğunlukla birkaç kimyasal bileşiğe sınırlıdır. Ve genellikle tehlikeli kimyasalların kazalar ya da sızıntılar sonucu ortaya çıkması beklenen endüstriyel ortamlarda, örneğin karbon monoksit, ozon, klor vb. kullanılır.

Bu, Hong Kong Bilim ve Teknoloji Üniversitesi (HKUST) Başkan Profesörü Prof. Fan Zhiyong’un ekibindeki araştırmacıların geliştirdiği biyomimetik koku çipleri sayesinde değişebilir.

Kaynak: HKUST

Biyomimetik Koku Çipleri

Koku Nasıl Çalışır?

Hayvanlarda ve insanlarda koku duyusunun çalışması, yüksek duyarlılıkla geniş bir uçucu kimyasal yelpazesini tespit edebilen “kimyasal dedektörler” olarak adlandırılan olfaktör reseptörler dizisi aracılığıyla gerçekleşir.

Bu tür olfaktör reseptörleri kodlayan gen sayısı, türe ve kokunun ne kadar önemli olduğuna bağlı olarak 300 ile 1.200 arasında değişebilir.

Dolayısıyla, her olası kimyasal molekül için ayrı bir reseptör yerine, her bileşik bu reseptörlerin her birini hafifçe farklı şekilde aktive ettiğinde benzersiz bir “iz” oluşturur. Olfaktör bulbları bu karmaşık sinyali bir sinir sinyaline dönüştürür ve beyin içinde “olfaktör kompleks” olarak adlandırılan bölüm tarafından yorumlanır.

Koku Çipleri Nasıl Oluşturulur

HKUST araştırmacıları, her olası kimyasal bileşik için küçültülmüş bir reseptör inşa etmenin sınırlamalarını aşarak bu sistemi taklit etmenin bir yolunu geliştirdi.

Nanotüp sensör dizilerini nanoporlu bir alt tabakaya yerleştirerek çip başına 10.000’e kadar ayrı ayrı adreslenebilir gaz sensörüne ulaştılar.

Bu veri daha sonra bir sinir ağı algoritmasıyla işlenerek belirli bir kimyasalın dijital kokusuna dair bir “algı”ya dönüştürülür.

Kaynak: HKUST

Koku Çiplerinin Potansiyeli

Bu tasarım, koku çiplerine aynı anda bir düzine ya da daha fazla kimyasalın varlığını ve konsantrasyonunu tespit etme potansiyeli sağlar.

Bir gösterim olarak, ekip çeşitli gazlara karşı olağanüstü duyarlılık gösteren ve karışık gazları ve 24 farklı kokuyu mükemmel şekilde ayırt edebilen bir biyomimetik koku çipi geliştirdi.

Daha sonra koku çipini ve görsel sensörleri bir robot köpeğe entegre ederek, kör kutulardaki nesneleri doğru bir şekilde tanımlayabilen, neredeyse bir “gerçek köpek” gibi çalışan birleşik bir koku ve görsel sistem yarattılar.

Kaynak: HKUST

Koku Çipi Uygulamaları

Güvenlik

Koku çiplerinin en acil uygulaması, mevcut çoğu kimyasal detektörün kullanıldığı alanlardır: güvenlik uygulamaları. Bu, fabrikalar, su arıtma istasyonları, petrokimya endüstrileri, boru sızıntı tespiti ve çevresel izleme (hava kirliliği vb.) içerir.

Bu yeni nesil detektörler, önceki teknolojilere göre aynı anda daha fazla kimyasal tespit edebilir, daha büyük bir veri akışı ve güvenliğin daha iyi değerlendirilmesini sağlar.

Savunma ve Güvenlik

Robodog prototipiyle gösterildiği gibi, bu tür bir tespit sistemi görünmez tehditleri algılamak için kullanılabilir. Uyuşturucu kaçakçılığından patlayıcı tespitine kadar, koklayıcı köpeklerin kullanıldığı her faaliyet, AI, otonom robotik ve koku çiplerinin birleşimi sayesinde sistemleştirilebilir.

Arama ve kurtarma çalışmaları da doğal felaket sonrası yıkılmış binaların altındaki hayatta kalanları bulmak için koku çiplerinden faydalanabilir.

Gıda ve Tarım

Çoğu hayvanın gelişmiş bir koku duyusuna sahip olmasının bir nedeni, bir yiyeceğin yenilebilir mi yoksa bozulmuş mu olduğunu tespit etmektir. Gıda ürünlerine özel çok hassas koku çiplerinin gıda endüstrisi için son derece faydalı olabileceğini hayal edebiliriz.

Benzer şekilde, tarım dronları da meyvelerin olgunlaşmasını, fungal bitki hastalıklarının varlığını, böcek feromonlarını vb. koklamak için kullanılabilir.

Kanser ve Hastalık Tespiti

Bir süredir bazı hastalıkların belirli kokuların yayılmasıyla ilişkili olduğu bilinmektedir. Kedilerin ya da köpeklerin kanseri tespit edebildiğine dair anekdotik veriler, yapay sensörlerin kullanımıyla sadece şehir efsanesi olmaktan çıkmıştır.

En dikkat çekeni, bu yöntemlerle birkaç kanserin tespit edilmeye başlanmasıdır, “elektronik burun” ile %95 doğrulukla.

Bulgular, Penn tarafından geliştirilen aracın — kan plazma örneklerindeki hücrelerden yayılan uçucu organik bileşiklerin (VOC’ler) karışımını çözümlemek için yapay zeka ve makine öğrenimini kullandığını — pankreas ve over gibi tespit edilmesi daha zor kanserleri taramak için invazif olmayan bir yaklaşım olabileceğini göstermektedir.

Penn Medicine News

Ayrıca BrainChip (BRN.AX ) gibi şirketlerin dijital koku tespitiyle kan örneklerindeki bakterileri tespit ettiğini görüyoruz.

Koku çipleri ne kadar hassaslaşır ve aynı anda onlarca ya da yüzlerce bileşiği tespit edebilir hâle gelirse, bu tür keşiflerin sadece kanser değil, özellikle metabolik hastalıklar da dahil olmak üzere birçok hastalığın teşhisinde kullanılma olasılığı o kadar artar.

Mevcut sürümün aksine, bu sadece cildimiz ya da nefesimizden gelen koku ile, kan örneği gerektirmeden gerçekleştirilebilir.

Akıllı Telefonlar ve Elektronik

Tamamen silikon tabanlı bir sistem olarak, koku çipleri akıllı telefon gibi her yerde bulunan küçük elektronik araçlarımıza entegre edilebilir.

Karbon monoksit, duman veya gaz sızıntıları gibi tehditleri sürekli izlemek ve otomatik olarak tespit etmek ya da yiyecek güvenliğini değerlendirmek için faydalı olabilir.

Ayrıca yemek yaparken yardımcı olmak, baharatları tanımak gibi daha önemsiz ama potansiyel olarak faydalı ve popüler uygulamaları da hayal edebiliriz.

Daha uzun vadede, bir “koku üreteci” ile birleştirildiğinde, telefonlar arasında (tercihen hoş) kokuların dijital olarak aktarımını bile mümkün kılabilir.

Yeni Duyular Kazanmak

Gelecekte daha uzak bir zaman diliminde, ancak imkânsız olmayan bir uygulama, bu tür koku çipi yeteneklerini insan vücuduna entegre etmektir.

Özellikle Elon Musk’ın Neuralink’i gibi insan-makine arayüzlerinin hızlı ilerlemesi göz önüne alındığında.

Bu sensörün vücudumuza entegre edilerek, biyolojik olarak mümkün olandan daha düşük seviyelerdeki zararlı kimyasallar hakkında uyarılar vermesini kolaylıkla hayal edebiliriz. Ya da doğal olarak tamamen algılayamadığımız kimyasallar için.

“Gelecekte, uygun biyouyumlu malzemelerin geliştirilmesiyle, biyomimetik koku çipinin insan vücuduna yerleştirilebileceğini ve normalde kokulamayan kokuları almamızı sağlayacağını umuyoruz.

Solunumumuzda ve cildimizden yayılan uçucu organik moleküllerdeki anormallikleri izleyerek, potansiyel hastalıklar konusunda bizi uyarabilir, biyomimetik mühendisliğin daha da geniş bir potansiyeline ulaşabilir,”

Prof. Fan Zhiyong

Koku Çipi Şirketleri

Koku çiplerinin potansiyeli, ilk yıllarda hastalık teşhisinden tehdit tespitine kadar net kullanım senaryolarına sahip “ciddi” uygulamalarla sınırlı kalması muhtemeldir. Dolayısıyla bu uygulamalar, bu yenilikten fayda sağlayabilecek şirketleri bulabileceğimiz alanlardır.

(Bu liste, Intel’ (INTC ) in nöromorfik çipi ya da IBM’in SyNAPSE – Ölçeklenebilir enerji verimli nöro-sinaptik hesaplama çipi gibi, koku çipleri ve sensörlerinde güçlü potansiyele sahip ancak gelirlerinin büyük kısmı muhtemelen “klasik” bilgisayar çipleriyle gelen çip şirketlerini içermemektedir.)

1. BrainChips Holdings (BRN.AX)

Bu yapay zeka şirketi, Neural Network Layer Engine’ler (NPE’ler) aracılığıyla insan beynini taklit eden çipler üretmeye odaklanmaktadır.

Şirket, nöromorfik teknolojiyi ticarileştiren ilk firma olduğunu iddia ediyor. Ayrıca çip üzeri öğrenme, standart ML iş akışı ve çip üzeri konvolüsyon sayesinde IBM ve Intel gibi ciddi rakiplerin önünde olduğunu düşünüyor.

Odak alanları görsel, ses, koku ve akıllı transdüser uygulamalarıdır.

Kaynak: BrainChip

Bu, şirketi koku çiplerindeki ilerlemeden faydalanabilecek çok iyi bir aday yapar. HKUST’un keşfini doğrudan lisanslayabilir, tekrarlamayı deneyebilir ya da kendi çiplerinin nanotüp sensör dizisi verilerini yorumlamak için gereken donanımın kilit bir parçası haline gelmesini sağlayabilir.

Şirket, ürünleri için, makine görüsü ve koku yetenekleri dahil olmak üzere, büyük bir potansiyel pazar gördüğünü belirtiyor.

Kaynak: BrainChip

BrainChip, yüksek marjlı bir IP iş modeli benimsemiştir; teknolojisini ön ödeme ve telif akışları karşılığında lisanslar ve ardından sistem entegratörleriyle ortak çalışarak nihai ürünü oluşturur.

2. Honeywell

Honeywell, tespit ve sensör alanında liderdir ve bina otomasyonu, havacılık ve güvenlik gibi sektörlerde güçlü ya da hâkim bir varlığa sahiptir (havacılık ve bina faaliyetlerinin çoğu sensör teknolojileriyle bağlantılıdır).

Sensör ve izleme konusunda tanınmış bir lider olarak, gaz detektörlerinin mevcut sınırlı (ancak zaten karlı) durumundan evrensel bir araca genişletmek ve ticarileştirmek için ideal bir konumda olabilir.

Kaynak: Honeywell

Honeywell ayrıca diğer teknolojik yeniliklerin ön saflarında yer alıyor, özellikle Quantunuum’un %54 hissesine sahip olmasıyla kuantum bilişim ve makalemizde ele aldığımız bir iş sektörü “Kuantum Bilişimin Güncel Durumu”.

Ayrıca Sıvı Metal Baskı alanında da aktiftir, bu konuyu “Sıvı Metal Baskı, Üretim ve Tasarım Manzarasında ‘Üretken Bir Güç’ Olabilir” başlıklı makalemizde ele almıştık.

Honeywell, sensör ve otomasyon sektöründe zaten büyük bir şirket olup, geniş bir yenilikçi teknoloji yelpazesinde iddialı hedeflere sahiptir.

Dolayısıyla biyomimetik koku çipleri kısa vadede bir rakip olsa bile, kendi Ar-Ge’si ya da daha küçük şirketlerin satın alımlarıyla koku sensörleri pazarının büyümesinden uyum sağlayıp faydalanabileceği muhtemeldir.