麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室的研究人員已開(kāi)發(fā)出一種無(wú)線系統(tǒng)

麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室的研究人員已開(kāi)發(fā)出一種無(wú)線系統(tǒng)，利用已有數(shù)百億種產(chǎn)品的廉價(jià)RFID標(biāo)簽來(lái)感知潛在的食品污染 - 無(wú)需進(jìn)行硬件修改。通過(guò)簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展的系統(tǒng)，研究人員希望將食品安全檢測(cè)帶給大眾。

在過(guò)去二十年中，食品安全事件幾乎每年都成為全球引發(fā)疾病和死亡的頭條新聞。例如，早在2008年，中國(guó)有5萬(wàn)名嬰兒因食用摻有三聚氰胺的嬰兒配方奶粉而入院治療，三聚氰胺是一種用于制造塑料的有機(jī)化合物，高濃度有毒。今年4月，印度尼西亞有100多人死于酒精飲用，其中部分甲醇是一種有毒酒精，通常用于稀釋全球黑市上出售的酒。

研究人員的系統(tǒng)稱為RFIQ，它包括一個(gè)讀取器，可以在信號(hào)與食物相互作用時(shí)檢測(cè)RFID標(biāo)簽發(fā)出的無(wú)線信號(hào)的微小變化。在這項(xiàng)研究中，他們專注于嬰兒配方奶粉和酒精，但在未來(lái)，消費(fèi)者可能擁有自己的讀者和軟件來(lái)進(jìn)行食品安全檢測(cè)，然后才購(gòu)買幾乎任何產(chǎn)品。研究人員表示，系統(tǒng)還可以在超市后房或智能冰箱中實(shí)施，以持續(xù)ping RFID標(biāo)簽，自動(dòng)檢測(cè)食物腐敗。

該技術(shù)取決于以下事實(shí)：從RFID標(biāo)簽發(fā)出的信號(hào)的某些變化對(duì)應(yīng)于該產(chǎn)品內(nèi)的某些污染物的水平。一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)模型 “學(xué)習(xí)”賦予了新材料的相關(guān)性，并且，如果材料是純的或污染，以及在什么濃度可以預(yù)測(cè)。在實(shí)驗(yàn)中，該系統(tǒng)檢測(cè)出嬰兒配方奶粉含有三聚氰胺，準(zhǔn)確度為96%，酒精用甲醇稀釋，準(zhǔn)確度為97%。

“近年來(lái)，如果我們都有自己感知食品質(zhì)量和安全性的工具，那么我們可以避免與食品和飲料有很多相關(guān)的危害，”媒體實(shí)驗(yàn)室助理教授，共同作者Fadel Adib說(shuō)。在描述該系統(tǒng)的論文上，該論文正在ACM網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)話題研討會(huì)上發(fā)表。“我們希望將食品質(zhì)量和安全民主化，并將其交給每個(gè)人。”

該論文的共同作者包括：博士后和第一作者Unsoo Ha，博士后Yunfei Ma，訪問(wèn)研究員Zexuan Zhong，以及電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)研究生Tzu-Ming Hsu。

“弱耦合”的力量

還開(kāi)發(fā)了用于檢測(cè)食品中的化學(xué)品或腐敗的其他傳感器。但這些都是高度專業(yè)化的系統(tǒng)，其中傳感器涂有化學(xué)物質(zhì)并經(jīng)過(guò)培訓(xùn)以檢測(cè)特定的污染物。媒體實(shí)驗(yàn)室研究人員的目標(biāo)是更廣泛的傳感。“我們將這種檢測(cè)純粹轉(zhuǎn)移到了計(jì)算方面，在那里你將使用同樣非常便宜的傳感器，用于各種產(chǎn)品，如酒精和嬰兒配方奶粉，”Adib說(shuō)。

RFID標(biāo)簽是貼有微型超高頻天線的貼紙。它們來(lái)自食品和其他物品，每個(gè)成本約為3至5美分。傳統(tǒng)上，稱為閱讀器的無(wú)線設(shè)備對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行ping操作，該標(biāo)簽啟動(dòng)并發(fā)出包含有關(guān)其所粘貼產(chǎn)品信息的唯一信號(hào)。

研究人員的系統(tǒng)利用了這樣一個(gè)事實(shí)：當(dāng)RFID標(biāo)簽通電時(shí)，它們發(fā)出的小電磁波進(jìn)入容器內(nèi)容物的分子和離子并被其扭曲。這個(gè)過(guò)程被稱為“弱耦合”?；旧希绻牧系膶傩园l(fā)生變化，那么信號(hào)屬性也會(huì)發(fā)生變化。

特征變形的一個(gè)簡(jiǎn)單例子是空氣與水的容器。如果容器是空的，RFID將始終以大約950兆赫的速度響應(yīng)。如果它充滿水，水會(huì)吸收一些頻率，其主要響應(yīng)僅為720兆赫茲左右。特征變形使用不同的材料和不同的污染物得到更細(xì)粒度。“這種信息可用于對(duì)材料進(jìn)行分類...... [和]顯示不純材料和純材料之間的不同特征，”Ha說(shuō)。

在研究人員的系統(tǒng)中，讀取器發(fā)出無(wú)線信號(hào)，為食品容器上的RFID標(biāo)簽供電。電磁波穿透容器內(nèi)的材料并以失真的幅度(信號(hào)強(qiáng)度)和相位(角度)返回到讀取器。

當(dāng)閱讀器提取信號(hào)特征時(shí)，它將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到單獨(dú)計(jì)算機(jī)上的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。在培訓(xùn)中，研究人員告訴模型哪些特征變化對(duì)應(yīng)于純材料或不純材料。在這項(xiàng)研究中，他們使用含有25%，50%，75%和100%甲醇的純酒精和酒精; 嬰兒配方奶粉摻雜了不同比例的三聚氰胺，從0%到30%。

“然后，該模型將自動(dòng)了解這種雜質(zhì)在這個(gè)百分比水平下受哪種頻率影響最大，”Adib說(shuō)。“一旦我們得到一個(gè)新的樣品，比如20%的甲醇，該模型提取[特征]并加權(quán)，并告訴你，'我認(rèn)為這是含20%甲醇的酒精。'”

擴(kuò)大頻率

該系統(tǒng)的概念源于一種稱為射頻光譜的技術(shù)，該技術(shù)可以在很寬的頻率下激發(fā)具有電磁波的材料，并測(cè)量各種相互作用以確定材料的構(gòu)成。

但是，對(duì)于該系統(tǒng)采用這種技術(shù)存在一個(gè)主要挑戰(zhàn)：RFID標(biāo)簽僅在非常緊湊的帶寬上振蕩，其波動(dòng)大約為950兆赫茲。在有限的帶寬內(nèi)提取信號(hào)不會(huì)凈化任何有用的信息。

研究人員建立在他們之前開(kāi)發(fā)的傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上，稱為雙頻激勵(lì)，它發(fā)送兩個(gè)頻率 - 一個(gè)用于激活，一個(gè)用于傳感 - 測(cè)量數(shù)百個(gè)頻率。讀取器發(fā)送大約950兆赫茲的信號(hào)來(lái)為RFID標(biāo)簽供電。當(dāng)它激活時(shí)，閱讀器發(fā)送另一個(gè)頻率，掃描大約400到800兆赫茲的頻率范圍。它檢測(cè)所有這些頻率的功能變化，并將它們提供給閱讀器。

“鑒于這種反應(yīng)，它幾乎就像我們已經(jīng)將廉價(jià)的RFID轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑿蜕漕l分光鏡，”Adib說(shuō)。

由于容器的形狀和其他環(huán)境因素會(huì)影響信號(hào)，研究人員目前正致力于確保系統(tǒng)能夠解釋這些變量。他們還在尋求擴(kuò)展系統(tǒng)的能力，以檢測(cè)許多不同材料中的許多不同污染物。

“我們想要推廣到任何環(huán)境，”阿迪布說(shuō)。“這需要我們非常強(qiáng)大，因?yàn)槟阆雽W(xué)習(xí)提取正確的信號(hào)，并消除環(huán)境對(duì)材料內(nèi)部的影響。”