Biomimeettiset hajuchipit: ovatko tekoäly ja e-nenä seuraava varoitusmerkki kaivoksessa?

Hajujen havaitsemisen vaikeudet

Konevisio on edennyt valtavasti viime vuosina, mutta muut keinotekoiset aistit ovat jääneet jälkeen. Yksi niistä on hajuaisti.
Tämä johtuu siitä, että tiedämme, miten saadaan tarkka sähkösignaali valon vastineeksi, mikä on ollut laajassa käytössä jo ensimmäisistä digikameroista lähtien. Sen sijaan haju on perustuu lentävien kemiallisten yhdisteiden havaitsemiseen.
Tämä on paljon vaikeampaa useista syistä:

• Hajustavia kemikaaleja on harvoin “puhdasta”. Ne ovat sen sijaan monimutkaisissa seoksissa, jotka voivat monimutkaistaa niiden havaitsemista.
• Havaitsemisen kynnys, joka tarvitaan vastaamaan ihmisen tai eläimen hajuaistia, on hyvin alhainen, ja se havaitsee pitoisuuksia yleensä ppm-alueella (osan osaa miljoonaa, tai 0,0001%).
• Miniaturisointi on välttämätöntä useimmissa sovelluksissa, jolloin vaaditaan sekä edistyneitä piirejä että alhaisen virrankulutuksen.
• Mikä tahansa havainto, joka perustuu kemiallisiin reaktioihin, edellyttää katalyyttien tai sensorissa käytettävien kemikaalien säännöllistä vaihtoa.

Kaiken tämän vuoksi suurin osa kemiallisesta / hajuaistin digitaalisesta havainnosta rajoittuu tällä hetkellä muutamiin kemikaaleihin. Ja yleensä ne käytetään ainoastaan teollisissa sovelluksissa, joissa vaaralliset kemikaalit, jotka havaitaan, ovat peräisin onnettomuuksista tai vuodoista, esimerkiksi hiilimonoksidi, otsoni, kloori jne.
Tämä voi muuttua kiitos biomimeettisten hajuchipien kehittymisen, joita tutkijat ovat kehittäneet Prof. Fan Zhiyongin johtamassa tiimissä Hong Kongin tiede- ja teknologiayliopistossa (HKUST).

Lähde: HKUST

Biomimeettiset hajuchipit

Miten haju toimii?

Hajuaisti toimii eläimissä ja ihmisissä “kemiallisten antureiden” eli hajureseptorien avulla, jotka pystyvät havaitsemaan herkillä herkillä lentävillä kemikaaleilla.
Hajureseptoreja koodaavien geenien määrä voi vaihdella 300:sta 1 200:een riippuen lajista ja siitä, kuinka tärkeä hajuaisti on sille.
Sen sijaan, että olisi yksi reseptori jokaiselle mahdolliselle kemialliselle molekyylille, jokaisella yhdisteellä on ainutlaatuinen “jälki”, joka muodostuu, kun kussakin näistä reseptoreista aktivoituu hieman eri tavoin. Hajurauhaset kokoavat tämän monimutkaisen signaalin hermosignaaliksi ja tulkkaavat sen aivojen osana, jota kutsutaan hajukeskukseksi.

Hajuchipin rakentaminen

HKUST:n tutkijat ovat kehittäneet tavan replikoida tämä järjestelmä ja kiertää miniaturisoinnin rajoitukset.
He kokosivat nanoputkianturijärjestelmän nanoporoiselle alustalle, jossa on jopa 10 000 yksilöllisesti osoitettavaa kaasuanturia piirillä.
Tämä data käsitellään sitten neuroverkkolaskentalgoritmin avulla ja käännetään “havainnoksi” tietystä kemiallisesta digitaalisesta hajusta.

Lähde: HKUST

Hajuchipien potentiaali

Tämä suunnittelu antaa hajuchipeille potentiaalin havaita samanaikaisesti sekä läsnäolon että pitoisuuksia kymmenistä kemikaaleista.
Esimerkkinä tiimi loi biomimeettisen hajuchipin, joka osoitti poikkeuksellista herkkyyttä monille kaasuille ja erinomaisen erottelukyvyn sekoitetuille kaasuille ja 24 eri hajulle.
He integroivat sekä hajuchipin että näköanturit robotti-koiraan, luoden yhdistetyn haju- ja näköjärjestelmän, joka voi tunnistaa objekteja sokeissa bokseissa, melkein kuin “oikea koira”.

Lähde: HKUST

Hajuchipien sovellukset

Turva

Hajuchipien välittömän sovelluksen on turvallisuuden parantaminen, jossa kemialliset anturit ovat jo nyt laajasti käytössä. Tähän kuuluvat tehtaat, vedenkäsittelylaitokset, petrokemian teollisuus, putkivuotojen havaitseminen ja ympäristön valvonta (ilmansaasteet jne.).
Nämä uudet anturit voivat havaita useita kemikaaleja yhtä aikaa, mikä mahdollistaa laajemman tietovirran ja paremman turvallisuuden arvioinnin.

Puolustus ja turvallisuus

Kuten robotti-koira esittää, tällainen havaintojärjestelmä voisi havaita muuten näkymättömiä uhkia. Huumeiden salakuljetuksesta räjähteiden havaitsemiseen, jokainen toiminta, jossa käytetään hajuaistia, voisi systematisoida tekoälyn, autonomisten robottien ja hajuchipien yhdistelmän avulla.
Haku- ja pelastustoimet voivat myös hyötyä hajuchipeistä löytääkseen selviytyjiä tuhoutuneiden rakennusten alle luonnonkatastrofin jälkeen.

Ruoka ja maatalous

Yksi syy, miksi useimmilla eläimillä on kehittynyt hajuaisti, on havaita, onko ruoka syömiskelpoista vai pilaantunutta. Voimme kuvitella, että erittäin herkillä hajuchipeillä, jotka on erikoistettu elintarvikkeisiin, voisi olla hyödyllistä elintarvikealaan.
Samoin maatalousdroonit voivat myös käyttää hajuaistia havaitsemaan hedelmien kypsymistä, sienitautien läsnäoloa, hyönteisten feromoneja jne.

Syöpä- ja tautien havaitseminen

On jo pitkään tiedetty, että jotkut taudit liittyvät tiettyjen hajujen erittymiseen. Anekdoottiset tiedot kissojen tai koirien pystyvän havaitsemaan syövän on nyt todettu enemmän kuin pelkästään kaupunkilegendoja tekoälysensorien avulla.
Useat syövät on jo havaittu näiden menetelmien avulla, “sähköinen nenä” pystyy tekemään niin 95 prosentin tarkkuudella.

Löydökset osoittavat, että Pennin kehittämä työkalu — joka käyttää tekoälyä ja koneoppimista mittaamaan seoksen lentäviä orgaanisia yhdisteitä, jotka erittyvät soluista verinäytteissä — voisi toimia ei-invasiivisena lähestymistapana havaita vaikeasti havaittavissa olevia syöpiä, kuten pankreassyöpää ja munasarjasyöpää.
Penn Medicine News

Me näemme myös yrityksiä kuten BrainChipin käyttävän digitaalista hajuhavaintoa bakteerien havaitsemiseen verinäytteissä.
On todennäköistä, että mitä herkempiä hajuchipit tulevat ja pystyvät havaitsemaan kymmeniä tai satoja yhdisteitä yhtä aikaa, sitä enemmän tällaisia löydöksiä voidaan käyttää diagnoosiin, ei ainoastaan syövän, vaan monien muiden tautien havaitsemiseen, erityisesti aineenvaihduntatauteja.
Toisin kuin nykyinen versio, se voi saavuttaa tämän vain ihon tai hengityksen hajun avulla, ilman verinäytettä.

Älypuhelimet ja sähkölaitteet

Puhtaasti piiliin perustuvana järjestelmänä hajuchipit voivat integroida meidän kaikkialla oleviin pienten sähkölaitteisiin, kuten älypuhelimisiin.
Se voi olla hyödyllistä jatkuvasti seurata ja automaattisesti havaita uhkia, kuten hiilimonoksidia, savua tai kaasuvuotoja tai arvioida ruoan turvallisuutta.
Voimme myös kuvitella muita, vähemmän tärkeitä, mutta silti hyödyllisiä ja suosittuja sovelluksia, kuten avustamista ruoanlaitossa, mausteiden tunnistamisessa jne.
Pitkällä aikavälillä, jos se yhdistetään “hajunluojan” kanssa, se voi jopa mahdollistaa hyvien hajujen digitaalisen siirron puhelimien välillä.

Uusien aistien hankkiminen

Toinen, tulevaisuudessa mahdollinen sovellus olisi integroida tällaiset hajuchipit ihmiskehoon.
Erityisesti ottaen huomioon nopean edistymisen ihmisen ja koneen rajapinnassa, kuten esimerkiksi Elon Muskin Neuralink.
Voimme helposti kuvitella, että tällainen anturi voidaan integroida kehoomme ja antaa varoituksia haitallisista kemikaaleista tasolla, joka on biologisesti mahdoton. Tai kemikaaleille, joita emme voi luonnostaan havaita.

“Tulevaisuudessa, kun kehitetään sopivia bioyhteensopivia materiaaleja, toivomme, että biomimeettinen hajuchippi voidaan asentaa myös ihmiskehoon, jotta voimme haistaa hajuja, joita emme normaalisti voi haistaa.
Se voi myös valvoa epänormaaleja lentäviä orgaanisia molekyylejä hengityksessämme ja iholla, varoittaen meitä mahdollisista sairauksista, saavuttaen biomimeettisen insinöörityön lisää potentiaalia”,
Prof. Fan Zhiyong

Hajuchippiyritykset

Hajuchipien potentiaali on todennäköisesti rajoitettu “vakaviin” sovelluksiin, joissa on selkeät käyttötarkoitukset, sairauksien diagnosoinnista uhkien havaitsemiseen. Näin ollen nämä sovellukset ovat todennäköisesti siellä, missä voidaan löytää yrityksiä, jotka voivat hyötyä tästä innovaatiosta.
(tämä luettelo ei sisällä piiriyhtiöitä, joilla on vahva potentiaali hajuchipeissä ja antureissa, mutta jonka suurin osa tuloista todennäköisesti säilyy “perinteisten” laskentapiirien ohjauksessa, kuten esimerkiksi Intelin neuromorfinen piiri tai IBM:n SyNAPSE – Scalable energy-efficient neuro synaptic computing chip).

1. BrainChips Holdings (BRN.AX)

Tämä tekoälyyritys erikoistuu luomaan piirejä, jotka jäljittelevät ihmisaivoja Neuroverkko-kerrosmoottorien (NPE) avulla.
Se väittää olevansa ensimmäinen, joka on kaupallistanut neuromorfinen teknologian. Se näkee itsensä edellä kilpailijoitaan, kuten IBM ja Intel, johtuen piirin oppimisesta, standardista ML-työvirrasta ja piirin konvoluutiosta.
Se on keskittynyt näkö-, ääni-, haju- ja älykkäiden anturien sovelluksiin.

Lähde: BrainChip