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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

來源：DeepTech深科技企鵝號　2018-12-09 20:08:56

關(guān)于讓機(jī)器具有視覺、聽覺，能分辨物體、聽聲識人等相關(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)器有嗅覺也是不少科研人員感興趣的議題，2018 年 6 月英國的拉夫堡大學(xué)(Loughborough University)、愛丁堡西部綜合醫(yī)院(Western General Hospital)等單位的研究人員開發(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，動物甚至植物都使用嗅覺來識別空氣中的數(shù)百種物質(zhì)，但人類的嗅覺并不如其他動物發(fā)達(dá)，基于這項(xiàng)原因，人類并沒有特別意識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系統(tǒng)來感知，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)專門讀取氣味痕跡的 AI 系統(tǒng)，可以辨識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 AI 嗅覺來檢測醫(yī)療疾病，仍須經(jīng)過長時(shí)間驗(yàn)證，才有機(jī)會普及于世，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。一家來自加拿大的初創(chuàng)公司 Startuscent 開發(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，可以實(shí)時(shí)辨識并量化環(huán)境中的化學(xué)成分，目前已獲食品、烹飪設(shè)備、智能家居、健康保健等行業(yè)客戶開始進(jìn)行測試。

簡單來說，“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。Stratuscent 使用美國 NASA 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室一部分的專利授權(quán)，自研開發(fā)一個(gè)具備 32 種化學(xué)傳感器的芯片 CumULUS，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練出一個(gè)可以實(shí)時(shí)辨識并分析氣味的云平臺。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 就會實(shí)時(shí)偵測氣體中有哪些化學(xué)物質(zhì)

靠氣味指紋來識別

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)，人的鼻子會產(chǎn)生一組獨(dú)特的信號組合，再經(jīng)過處理和記憶，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，大腦就會調(diào)用它來識別和比對。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，專門開發(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 20 年的他分析，現(xiàn)有化學(xué)傳感方案的市場很分散，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)檢測部分，幾十年來，各地的實(shí)驗(yàn)室或研究機(jī)構(gòu)要檢測空氣中的少量物質(zhì)時(shí)，通常使用“氣相色譜質(zhì)譜儀”，簡稱 GC-MS，或是離子質(zhì)譜(Ion-mass spectrometry)分析儀，過程因?yàn)樾枰獙＜沂謩訖z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 萬至 10 萬美元不等，不是讓一般人購買的。

所以，“低成本、實(shí)時(shí)、多氣體的檢測解決方案，這片市場是空白的，”Ashok Parch Masilamani 說，因此，Stratuscent 的目標(biāo)便清晰地鎖定在“消費(fèi)級”市場，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)開賣。

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、聽覺、甚至是觸覺，“嗅覺”同樣有助于對環(huán)境的理解，例如智能家居的煙霧探測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，或是未來冰箱可以在食物變質(zhì)時(shí)主動告知用戶，或者是烤箱能夠自行調(diào)節(jié)溫度，這些應(yīng)用都可通過了解氣體中的化學(xué)物質(zhì)來實(shí)現(xiàn)。

目前 Stratuscent 已經(jīng)把 CumULUS 芯片提供給客戶測試，目前主要有三大領(lǐng)域，一是室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測，可以檢測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，如烹飪設(shè)備和家電業(yè)者希望將傳感器嵌入產(chǎn)品，不論是用以檢測到食物腐敗釋放出的 VOC，或是通過氣味來判斷食物烹調(diào)的狀況，第三個(gè)領(lǐng)域則是健康醫(yī)療，通過人呼出的氣息，來偵測糖尿病、肺癌、結(jié)腸癌和哮喘等。

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