传感器芯片结合机器学习研究人员打造数字鼻子

来源：DeepTech深科技企鹅号　2018-12-09 20:08:56

关于让机器具有视觉、听觉，能分辨物体、听声识人等相关研究，在人工智能的浪潮下已经诞生许多成果，其实让机器有嗅觉也是不少科研人员感兴趣的议题，2018 年 6 月英国的拉夫堡大学(Loughborough University)、爱丁堡西部综合医院(Western General Hospital)等单位的研究人员开发了一种基于深度学习的方法，可以分析人体呼吸中的化合物，并检测疾病如癌症。

参与这项研究计划的拉夫堡大学讲师 Andrea Soltoggio 在 The Conversation 撰文指出，动物甚至植物都使用嗅觉来识别空气中的数百种物质，但人类的嗅觉并不如其他动物发达，基于这项原因，人类并没有特别意识到有很多丰富的信息资讯在空中传递。而想要建立高度敏感的嗅觉系统来感知，人工智能可以帮上忙。

因此他们利用深度学习网络及参与癌症治疗患者的呼吸样本，训练出一个专门读取气味痕迹的 AI 系统，可以辨识呼吸中的特定化合物，例如醛类，此类化学物质通常用来调制香水，但其实也与人类的压力状况和疾病有关。

目标打造成本 10 美元的数字鼻子芯片

通过 AI 嗅觉来检测医疗疾病，仍须经过长时间验证，才有机会普及于世，但如果是应用在其他行业，商业潜力同样不小，但落地速度倒是可以快很多。一家来自加拿大的初创公司 Startuscent 开发出化学传感器芯片，搭配云端上的机器学习平台，可以实时辨识并量化环境中的化学成分，目前已获食品、烹饪设备、智能家居、健康保健等行业客户开始进行测试。

简单来说，“就是为机器打造一个数字鼻子(digital nose)，”Stratuscent 创始人暨首席技术官 Ashok Parch Masilamani 接受 DT 君采访时这么说。Stratuscent 使用美国 NASA 喷气推进实验室一部分的专利授权，自研开发一个具备 32 种化学传感器的芯片 CumULUS，并通过机器学习训练出一个可以实时辨识并分析气味的云平台。拿着香水或酒，贴近芯片，系统随即分析出内含了哪些化学成份，另外，不同的人各自呼出一口气，系统也能辨识出两人口气的差异。

图：当芯片靠近有味道的东西，例如酒或香水，AI 就会实时侦测气体中有哪些化学物质

靠气味指纹来识别

他进一步解释 Stratuscent 的技术，大致与鼻子的工作方式相同，当我们闻到东西时，人的鼻子会产生一组独特的信号组合，再经过处理和记忆，形成一个纪录，概念就像是指纹(fingerprint)一样，之后当我们闻到气味，大脑就会调用它来识别和比对。Stratuscent 的传感器芯片采用纳米复合材料，当它接触到任何化学物质时会产生独特的数字指纹，然后将这种数字化的气味发送到云端 AI 引擎，再由 AI 进行识别并分类其化学成份。

本科念硅纳米光子学(Silicon Nanophotonics)的 Ashok Parch Masilamani，在创立 Stratuscent 之前，曾在半导体公司 Applied Nanotools 担任首席技术官，专门开发 X 射线光学、基于光子学的化学传感器，客户主要是石油、天然气公司。

在化学传感器领域资历超过 20 年的他分析，现有化学传感方案的市场很分散，例如电化学(electrochemical)、金属氧化物(MOX)这类标准气体传感器，只能侦测单一种特定的气体/化学物质。

在“非实时”的化学检测部分，几十年来，各地的实验室或研究机构要检测空气中的少量物质时，通常使用“气相色谱质谱仪”，简称 GC-MS，或是离子质谱(Ion-mass spectrometry)分析仪，过程因为需要专家手动检查，分析大量数据，因此相当耗时，而且这些设备难以小型化，成本高，从 1 万至 10 万美元不等，不是让一般人购买的。

所以，“低成本、实时、多气体的检测解决方案，这片市场是空白的，”Ashok Parch Masilamani 说，因此，Stratuscent 的目标便清晰地锁定在“消费级”市场，他也表示，芯片量产价格应可落在 10 美元左右，计划在 2019 年下半年量产开卖。

图：Stratuscent 创始人暨首席技术官 Ashok Parch Masilamani

现今我们生活的时代，智能设备发展出几乎跟人类一样感知世界的能力，包括视觉、听觉、甚至是触觉，“嗅觉”同样有助于对环境的理解，例如智能家居的烟雾探测器除了警告冒烟和火灾的可能性，也可以提供环境空气质量的讯息，或是未来冰箱可以在食物变质时主动告知用户，或者是烤箱能够自行调节温度，这些应用都可通过了解气体中的化学物质来实现。

目前 Stratuscent 已经把 CumULUS 芯片提供给客户测试，目前主要有三大领域，一是室内空气质量监测，可以检测居家和办公室中有害的挥发性有机化合物(VOC，Volatile Organic Compounds)，二是食品安全，如烹饪设备和家电业者希望将传感器嵌入产品，不论是用以检测到食物腐败释放出的 VOC，或是通过气味来判断食物烹调的状况，第三个领域则是健康医疗，通过人呼出的气息，来侦测糖尿病、肺癌、结肠癌和哮喘等。

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