Baanbrekende biomimetische olfactorische chips gebruiken AI om robots te laten ruiken

De ontwikkeling van kunstmatige olfactorische sensoren is een langdurige uitdaging geweest voor onderzoekers wereldwijd. Het creëren van elektronische neuzen (e-neuzen) die complexe geurmengsels effectief kunnen onderscheiden, vergelijkbaar met het biologische olfactorische systeem, is moeilijk gebleken vanwege problemen met miniaturisatie en herkenning capaciteiten. Echter, een onderzoeksteam onder leiding van Prof. FAN Zhiyong van de Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) heeft een significante doorbraak gemaakt in dit veld met hun nieuw ontwikkelde biomimetische olfactorische chips (BOC).

Biomimetische Olfactorische Chips (BOC)

De biomimetische olfactorische chips, of BOC’s, ontwikkeld door Prof. Fan’s team zijn een baanbrekende uitvinding op het gebied van kunstmatige reukdetectie. Deze kleine chips zijn ontworpen om de manier waarop mensen en dieren geuren detecteren, na te bootsen, waardoor ze meer accuraat en efficiënt zijn dan voorgaande kunstmatige olfactiesystemen.
Elke BOC bevat tot 10.000 kleine gassensoren, die op een manier zijn gerangschikt die sterk lijkt op het biologische olfactorische systeem. Dit unieke ontwerp stelt de chip in staat om een breed scala aan geuren te detecteren en te onderscheiden, zelfs wanneer ze in complexe combinaties zijn gemengd.
Een van de belangrijkste functies van de BOC is het gebruik van een speciale materiaalsamenstelling die varieert over de chip. Dit gradiëntontwerp maakt het mogelijk om veel verschillende soorten sensoren op één chip te integreren, waardoor het mogelijk is om een breed scala aan geuren te detecteren terwijl de chip klein en compact blijft.
De gassensoren die in de BOC worden gebruikt, zijn extreem gevoelig en kunnen zelfs de kleinste sporen van verschillende gassen en vluchtige organische verbindingen (VOC’s) detecteren. Deze sensoren zijn gebouwd op een substraat met kleine poriën, wat een grote oppervlakte biedt voor de gassen om mee te interacteren, waardoor de gevoeligheid en responstijd van de chip worden verbeterd.
Door deze geavanceerde sensortechnologie te combineren met kunstmatige intelligentie-algoritmes, kan de BOC de gegevens van de gassensoren verwerken en interpreteren, waardoor het mogelijk is om geuren te identificeren en te onderscheiden met opmerkelijke nauwkeurigheid.

Image: HKUST

Uitdagingen in kunstmatige olfactie overwinnen

Het ontwikkelen van kunstmatige olfactiesystemen is een moeilijke taak geweest voor onderzoekers vanwege verschillende belangrijke obstakels. Een van de primaire moeilijkheden is het miniaturiseren van het systeem terwijl de effectiviteit wordt behouden. Traditionele e-neuzen vereisen vaak omvangrijke apparatuur, waardoor ze onpraktisch zijn voor veel toepassingen. De biomimetische olfactorische chips ontwikkeld door Prof. Fan’s team lossen dit probleem op door een groot aantal gassensoren op één compacte chip te integreren.
Een andere significante uitdaging in kunstmatige olfactie is het verhogen van de herkenning capaciteiten van het systeem, vooral bij het omgaan met complexe geurmengsels. In real-world scenario’s bestaan geuren vaak uit meerdere gassen en vluchtige organische verbindingen, waardoor het voor conventionele e-neuzen moeilijk is om elk onderdeel nauwkeurig te identificeren en te kwantificeren.
Door geavanceerde nanotechnologie en kunstmatige intelligentie te gebruiken, kunnen de biomimetische olfactorische chips gegevens van de gassensoren effectiever verwerken en interpreteren dan traditionele e-neuzen. Het gebruik van machine learning-algoritmes stelt de BOC in staat om van eerdere ervaringen te leren en de geurherkenningscapaciteiten over tijd te verbeteren. Deze aanpasbaarheid maakt de BOC een krachtig instrument voor verschillende industrieën, aangezien het kan worden aangepast om specifieke geuren te detecteren en te identificeren die relevant zijn voor elke toepassing.

Uitzonderlijke prestaties en toepassingen

In een opvallende demonstratie integreerden de onderzoekers de olfactorische chips met visiesensoren op een robotdog, waardoor een gecombineerd olfactorisch en visueel systeem ontstond. Deze unieke setup stelde de robot in staat om objecten in blinde dozen nauwkeurig te identificeren, waardoor de mogelijkheid werd getoond om de BOC te integreren met andere sensortechnologieën om meer geavanceerde en capabele intelligente systemen te creëren.

Image: HKUST