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。」