傳感器芯片結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí) 研究人員打造數(shù)字鼻子

關(guān)于讓機(jī)器具有視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué),能分辨物體、聽(tīng)聲識(shí)人等相關(guān)研究,在人工智能的浪潮下已經(jīng)誕生許多成果,其實(shí)讓機(jī)器有嗅覺(jué)也是不少科研人員感興趣的議題,2018 年 6 月英國(guó)的拉夫堡大學(xué)(Loughborough University)、愛(ài)丁堡西部綜合醫(yī)院(Western General Hospital)等單位的研究人員開(kāi)發(fā)了一種基于深度學(xué)習(xí)的方法,可以分析人體呼吸中的化合物,并檢測(cè)疾病如癌癥。

參與這項(xiàng)研究計(jì)劃的拉夫堡大學(xué)講師 Andrea Soltoggio 在 The Conversation 撰文指出,動(dòng)物甚至植物都使用嗅覺(jué)來(lái)識(shí)別空氣中的數(shù)百種物質(zhì),但人類的嗅覺(jué)并不如其他動(dòng)物發(fā)達(dá),基于這項(xiàng)原因,人類并沒(méi)有特別意識(shí)到有很多豐富的信息資訊在空中傳遞。而想要建立高度敏感的嗅覺(jué)系統(tǒng)來(lái)感知,人工智能可以幫上忙。

因此他們利用深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)及參與癌癥治療患者的呼吸樣本,訓(xùn)練出一個(gè)專門(mén)讀取氣味痕跡的 AI 系統(tǒng),可以辨識(shí)呼吸中的特定化合物,例如醛類,此類化學(xué)物質(zhì)通常用來(lái)調(diào)制香水,但其實(shí)也與人類的壓力狀況和疾病有關(guān)。

目標(biāo)打造成本 10 美元的數(shù)字鼻子芯片

通過(guò) AI 嗅覺(jué)來(lái)檢測(cè)醫(yī)療疾病,仍須經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間驗(yàn)證,才有機(jī)會(huì)普及于世,但如果是應(yīng)用在其他行業(yè),商業(yè)潛力同樣不小,但落地速度倒是可以快很多。一家來(lái)自加拿大的初創(chuàng)公司 Startuscent 開(kāi)發(fā)出化學(xué)傳感器芯片,搭配云端上的機(jī)器學(xué)習(xí)平臺(tái),可以實(shí)時(shí)辨識(shí)并量化環(huán)境中的化學(xué)成分,目前已獲食品、烹飪?cè)O(shè)備、智能家居、健康保健等行業(yè)客戶開(kāi)始進(jìn)行測(cè)試。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),“就是為機(jī)器打造一個(gè)數(shù)字鼻子(digital nose),”Stratuscent 創(chuàng)始人暨首席技術(shù)官 Ashok Parch Masilamani 接受 DT 君采訪時(shí)這么說(shuō)。Stratuscent 使用美國(guó) NASA 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室一部分的專利授權(quán),自研開(kāi)發(fā)一個(gè)具備 32 種化學(xué)傳感器的芯片 CumULUS,并通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練出一個(gè)可以實(shí)時(shí)辨識(shí)并分析氣味的云平臺(tái)。拿著香水或酒,貼近芯片,系統(tǒng)隨即分析出內(nèi)含了哪些化學(xué)成份,另外,不同的人各自呼出一口氣,系統(tǒng)也能辨識(shí)出兩人口氣的差異。

圖:當(dāng)芯片靠近有味道的東西,例如酒或香水,AI 就會(huì)實(shí)時(shí)偵測(cè)氣體中有哪些化學(xué)物質(zhì)

靠氣味指紋來(lái)識(shí)別

他進(jìn)一步解釋 Stratuscent 的技術(shù),大致與鼻子的工作方式相同,當(dāng)我們聞到東西時(shí),人的鼻子會(huì)產(chǎn)生一組獨(dú)特的信號(hào)組合,再經(jīng)過(guò)處理和記憶,形成一個(gè)紀(jì)錄,概念就像是指紋(fingerprint)一樣,之后當(dāng)我們聞到氣味,大腦就會(huì)調(diào)用它來(lái)識(shí)別和比對(duì)。Stratuscent 的傳感器芯片采用納米復(fù)合材料,當(dāng)它接觸到任何化學(xué)物質(zhì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的數(shù)字指紋,然后將這種數(shù)字化的氣味發(fā)送到云端 AI 引擎,再由 AI 進(jìn)行識(shí)別并分類其化學(xué)成份。

本科念硅納米光子學(xué)(Silicon Nanophotonics)的 Ashok Parch Masilamani,在創(chuàng)立 Stratuscent 之前,曾在半導(dǎo)體公司 Applied Nanotools 擔(dān)任首席技術(shù)官,專門(mén)開(kāi)發(fā) X 射線光學(xué)、基于光子學(xué)的化學(xué)傳感器,客戶主要是石油、天然氣公司。

在化學(xué)傳感器領(lǐng)域資歷超過(guò) 20 年的他分析,現(xiàn)有化學(xué)傳感方案的市場(chǎng)很分散,例如電化學(xué)(electrochemical)、金屬氧化物(MOX)這類標(biāo)準(zhǔn)氣體傳感器,只能偵測(cè)單一種特定的氣體/化學(xué)物質(zhì)。

在“非實(shí)時(shí)”的化學(xué)檢測(cè)部分,幾十年來(lái),各地的實(shí)驗(yàn)室或研究機(jī)構(gòu)要檢測(cè)空氣中的少量物質(zhì)時(shí),通常使用“氣相色譜質(zhì)譜儀”,簡(jiǎn)稱 GC-MS,或是離子質(zhì)譜(Ion-mass spectrometry)分析儀,過(guò)程因?yàn)樾枰獙<沂謩?dòng)檢查,分析大量數(shù)據(jù),因此相當(dāng)耗時(shí),而且這些設(shè)備難以小型化,成本高,從 1 萬(wàn)至 10 萬(wàn)美元不等,不是讓一般人購(gòu)買(mǎi)的。

所以,“低成本、實(shí)時(shí)、多氣體的檢測(cè)解決方案,這片市場(chǎng)是空白的,”Ashok Parch Masilamani 說(shuō),因此,Stratuscent 的目標(biāo)便清晰地鎖定在“消費(fèi)級(jí)”市場(chǎng),他也表示,芯片量產(chǎn)價(jià)格應(yīng)可落在 10 美元左右,計(jì)劃在 2019 年下半年量產(chǎn)開(kāi)賣(mài)。

圖:Stratuscent 創(chuàng)始人暨首席技術(shù)官 Ashok Parch Masilamani

現(xiàn)今我們生活的時(shí)代,智能設(shè)備發(fā)展出幾乎跟人類一樣感知世界的能力,包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、甚至是觸覺(jué),“嗅覺(jué)”同樣有助于對(duì)環(huán)境的理解,例如智能家居的煙霧探測(cè)器除了警告冒煙和火災(zāi)的可能性,也可以提供環(huán)境空氣質(zhì)量的訊息,或是未來(lái)冰箱可以在食物變質(zhì)時(shí)主動(dòng)告知用戶,或者是烤箱能夠自行調(diào)節(jié)溫度,這些應(yīng)用都可通過(guò)了解氣體中的化學(xué)物質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

目前 Stratuscent 已經(jīng)把 CumULUS 芯片提供給客戶測(cè)試,目前主要有三大領(lǐng)域,一是室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè),可以檢測(cè)居家和辦公室中有害的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC,Volatile Organic Compounds),二是食品安全,如烹飪?cè)O(shè)備和家電業(yè)者希望將傳感器嵌入產(chǎn)品,不論是用以檢測(cè)到食物腐敗釋放出的 VOC,或是通過(guò)氣味來(lái)判斷食物烹調(diào)的狀況,第三個(gè)領(lǐng)域則是健康醫(yī)療,通過(guò)人呼出的氣息,來(lái)偵測(cè)糖尿病、肺癌、結(jié)腸癌和哮喘等。

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