麻省理工學(xué)院媒體實驗室的研究人員已開發(fā)出一種無線系統(tǒng)

麻省理工學(xué)院媒體實驗室的研究人員已開發(fā)出一種無線系統(tǒng)，利用已有數(shù)百億種產(chǎn)品的廉價RFID標(biāo)簽來感知潛在的食品污染 - 無需進行硬件修改。通過簡單，可擴展的系統(tǒng)，研究人員希望將食品安全檢測帶給大眾。

在過去二十年中，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，中國有5萬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，它包括一個讀取器，可以在信號與食物相互作用時檢測RFID標(biāo)簽發(fā)出的無線信號的微小變化。在這項研究中，他們專注于嬰兒配方奶粉和酒精，但在未來，消費者可能擁有自己的讀者和軟件來進行食品安全檢測，然后才購買幾乎任何產(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施，以持續(xù)ping RFID標(biāo)簽，自動檢測食物腐敗。

該技術(shù)取決于以下事實：從RFID標(biāo)簽發(fā)出的信號的某些變化對應(yīng)于該產(chǎn)品內(nèi)的某些污染物的水平。一個機器學(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。在實驗中，該系統(tǒng)檢測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，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，”媒體實驗室助理教授，共同作者Fadel Adib說。在描述該系統(tǒng)的論文上，該論文正在ACM網(wǎng)絡(luò)熱點話題研討會上發(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，訪問研究員Zexuan Zhong，以及電氣工程和計算機科學(xué)研究生Tzu-Ming Hsu。

“弱耦合”的力量

還開發(fā)了用于檢測食品中的化學(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)過培訓(xùn)以檢測特定的污染物。媒體實驗室研究人員的目標(biāo)是更廣泛的傳感。“我們將這種檢測純粹轉(zhuǎn)移到了計算方面，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。

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

研究人員的系統(tǒng)利用了這樣一個事實：當(dāng)RFID標(biāo)簽通電時，它們發(fā)出的小電磁波進入容器內(nèi)容物的分子和離子并被其扭曲。這個過程被稱為“弱耦合”?；旧?，如果材料的屬性發(fā)生變化，那么信號屬性也會發(fā)生變化。

特征變形的一個簡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粒度。“這種信息可用于對材料進行分類...... [和]顯示不純材料和純材料之間的不同特征，”Ha說。

在研究人員的系統(tǒng)中，讀取器發(fā)出無線信號，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(信號強度)和相位(角度)返回到讀取器。

當(dāng)閱讀器提取信號特征時，它將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到單獨計算機上的機器學(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應(yīng)于純材料或不純材料。在這項研究中，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，該模型將自動了解這種雜質(zhì)在這個百分比水平下受哪種頻率影響最大，”Adib說。“一旦我們得到一個新的樣品，比如20%的甲醇，該模型提取[特征]并加權(quán)，并告訴你，'我認為這是含20%甲醇的酒精。'”

擴大頻率

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，并測量各種相互作用以確定材料的構(gòu)成。

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

研究人員建立在他們之前開發(fā)的傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上，稱為雙頻激勵，它發(fā)送兩個頻率 - 一個用于激活，一個用于傳感 - 測量數(shù)百個頻率。讀取器發(fā)送大約950兆赫茲的信號來為RFID標(biāo)簽供電。當(dāng)它激活時，閱讀器發(fā)送另一個頻率，掃描大約400到800兆赫茲的頻率范圍。它檢測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)將廉價的RFID轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑿蜕漕l分光鏡，”Adib說。

由于容器的形狀和其他環(huán)境因素會影響信號，研究人員目前正致力于確保系統(tǒng)能夠解釋這些變量。他們還在尋求擴展系統(tǒng)的能力，以檢測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。“這需要我們非常強大，因為你想學(xué)習(xí)提取正確的信號，并消除環(huán)境對材料內(nèi)部的影響。”