cookieOptions = {...}; .新型無線系統:用 RFID 標籤檢測食品安全! - 3S Market「全球智慧科技應用」市場資訊網

3S MARKET

3S MARKET
2020年5月18日 星期一

Food-safety detection by MIT's RFIQ 

which uses RFID and AI



騰訊網


背景
食品安全問題,是食物中有毒、有害物質,對人體健康產生影響的公共衛生問題。過去二十年來,食品安全事故幾乎每年都會照成疾病與死亡。因此,食品安全問題屢次成為全球的頭條新聞。
  
舉例來說,2008 年,由於食用摻有三聚氰胺的嬰幼兒配方奶粉,中國有 5 萬多名嬰幼兒接收治療。三聚氰胺,是一種用於製造塑料的有機成分,高濃度時是有毒的。

去年 4月份,印尼有超過百人死於飲用,受到一定程度甲醇污染的酒。甲醇,在加水稀釋後與酒精的氣味相近,且售價遠低於食用酒精,在全球的黑市上銷售。嚴格地講,甲醇兌的產品純屬毒液。
  
然而,創新技術可以幫助我們,檢測食品是否發生腐敗變質或者受到污染。筆者曾經介紹過這方面的科研案例,例如:

1)加拿大麥克馬斯特大學研究人員,開發出一種透明測試貼片,上面印刷有無害分子,能在食品受到污染時發出信號。這種貼片可直接整合到食品包裝中,檢測有害的致病菌例如:大腸桿菌和沙門氏菌。


  (圖片來源:麥克馬斯特大學)
  
2)美國克拉克森大學的科學家們開發出一種低成本、攜帶式紙感測器,不僅能檢測食品是否腐敗變質或者受到污染,也能檢測化妝品內是否含有有害物質,還可以鑒別偏遠山林里的新型藥用植物,甚至可以鑒定茶和酒。


  (圖片來源:Silvana Andreescu)
  
3)美國加州大學伯克萊分校,以及台灣交通大學的研究人員,設計出一種低功耗的感測器,它能夠無線地檢測牛奶新鮮程度。


  (圖片來源:加州大學伯克萊分校)
  
創新
今天,讓我們再看一項應用於,食品安全方面的創新技術。近日,美國麻省理工學院(MIT)媒體實驗室(Media Lab)的研究人員們,開發出一種無線系統,採用在數以億計產品上,廣泛使用的廉價 RFID 標籤來檢測食品污染,而且無需任何硬體修改。研究人員希望透過這種簡單、可拓展的系統,向大眾普及食品安全檢測。


  (圖片來源:MIT)
  
描述這一系統論文,已成為國際電算學會研討會的網路熱門話題。論文合著者包括:媒體實驗室助理教授 Fadel Adib、第一作者博士後 Unsoo Ha、博士後 Yunfei Ma、訪問研究員 Zexuan Zhong、電氣與電腦科學系研究生 Tzu-Ming Hsu。
  
技術
研究人員開發的系統稱為「RFIQ」,內含一個閱讀器。當 RFID 標籤發出無線信號與食品進行交互時,感知信號每分鐘的變化。他們在這項研究中,主要關注了嬰幼兒配方奶粉與酒。
  

這項技術是基於:RFID 標籤發出的信號,會根據產品中特定污染物的水準,而產生特定的變化。機器學習模型「學習」這些相關性,如果有一種新材料,它就可以預測材料是純淨的,還是受污染的,以及受污染的程度。在實驗中,系統檢測含三聚氰胺的嬰幼兒配方奶粉的精準度達 96%,檢測甲醇稀釋的酒精的精準度達 97%。
  
對於檢測食品中的化學物質或者腐敗來說,目前已經開發出一些其他的感測器,但是那些都是高度專業化的系統,感測器塗有化學物質,並被訓練去檢測特定的污染物。媒體實驗室的研究人員們的目標,是致力於更廣泛的感知。

Fadel Adib 表示:「我們將這種檢測完全轉移至計算側,你將可採用非常廉價的感測器檢測各種產品,例如酒和嬰兒配方奶粉。」
  
RFID 標籤是含有超高頻微型天線的貼紙。它們貼在食品和其他物品上,每個標籤大約花費三到五美分。傳統意義上說,稱為「閱讀器」的無線設備用於感知標籤,使標籤上電併發出一個獨特的信號,其中包含它所粘貼的產品的資訊。
  
當 RFID 標籤上電時,它們發出的小型電磁波會傳輸到容器內的食品中,食品中的離子及分子使之產生失真。這個過程也稱為「弱耦合」。從根本上說,如果材料的特性發生改變,信號的特徵也隨之改變。
  
一個關於特徵失真的簡單例子,就是裝有空氣或者水的容器。如果容器是空的,那麼 RFID 將總是響應 950 兆赫的電磁波。如果容器裝有水,那麼水會吸收一些頻率,並且它主要的響應是720兆赫左右。特徵失真對於不同材料和不同污染物的檢測是更加細粒度的。Ha 表示:「此類資訊可用於分類材料,在摻雜與純淨的材料之間,顯示出不同的特徵。」
  
在研究人員的系統中,閱讀器激發出的無線信號為食物容器中的 RFID 標籤上電。電磁波穿透容器內部的材料,並且給閱讀器返回失真的幅度(信號強度)與相位(角度)。
  
當閱讀器提取信號特徵時,它將這些數據發送至一台獨立電腦上的機器學習模型。在訓練中,研究人員告知模型,純淨或摻雜的材料會有什麼樣相應的特徵變化。這項研究中,他們採用純淨的酒和含有 25%、50%、75%、100% 甲醇的酒他們採用的嬰兒配方奶粉,摻有不同程度的三聚氰胺,從 0 到 30%。
  
Adib 表示:「那麼,模型將自動學習哪個頻率最會受到這種百分比水平的污染的影響。當我們獲取到新樣本後,例如, 20% 的甲醇,模型會提取【特徵】並為它們稱重,並告訴你們,‘我認為這是 20% 的甲醇的可能性很高。’」
  
系統的設計理念源自一種稱為「射頻頻譜學」的技術,它用寬頻電磁波刺激材料,並測量各種形式的交互,從而判斷材料的組成。
  
但是,將這項技術用於系統存在一個主要挑戰:RFID 標籤只能在 950 兆赫左右的非常窄的頻寬內上電。在這樣受限的頻寬中提取的信號,無法採集到任何有用資訊。
  
研究人員們早期開發了一項稱為「雙頻激發」的技術,他們的新技術是在這個上面建構起來的。「雙頻激發」技術發送兩個頻率,來測量數百個頻率,一個頻率用於啟動,一個頻率用於感知。閱讀器發送一個位於 950 兆赫左右的信號,為 RFID 標籤上電。當標籤啟動時,閱讀器再發送另外一個頻率掃過,約從 400 兆赫至 800 兆赫的頻率範圍。它檢測到所有這些頻率帶來的特徵變化,並將它們反饋至閱讀器。
  
Adib 表示:「這種響應方式,就像我們將廉價的 RFID 轉化為成微型射頻攝譜儀。」
  
由於容器的形狀和其他環境因素會影響信號,研究人員目前正致力於保證系統能夠考慮到這些變量。他們也在想辦法拓展系統的容量,去檢測許多不同的材料中的許多不同的污染物。
  
Adib 表示:「我們想要適應任何環境。這就需要我們變得非常健壯,因為你想要學習提取正確的信號,消除環境對於材料內部的影響。」
  

價值
Fadel Adib 表示:「近年來,如果我們擁有自己的工具去具有感知食品品質與安全,那麼許多與食品以及飲品相關的危險都能避免。我們想要實現食品品質與安全的民主化,並使得每個人都能擁有它。」

未來,消費者們將擁有他們自己的閱讀器與軟體,在購買任何商品之前,都可以進行食品安全感知。研究人員稱,系統也將在超市庫房或者智慧冰箱中實現,持續地感知 RFID 標籤,自動檢測食物變質。

按此回今日3S Market新聞首頁

0 comments: