開發(fā)無線系統(tǒng) 讓消費者掌握食品安全檢查

麻省理工學(xué)院媒體實驗室的研究人員開發(fā)了一種無線系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用數(shù)千億種產(chǎn)品的廉價射頻識別標(biāo)簽來檢測潛在的食品污染，而無需修改硬件。通過一個簡單且可擴展的系統(tǒng)，研究人員希望將食品安全檢查帶給公眾。在過去的二十年里，食品安全事件幾乎每年都成為導(dǎo)致疾病和死亡的全球頭條新聞。例如，早在2008年，中國就有5萬名嬰兒因食用摻有三聚氰胺的嬰兒配方奶粉而住院，三聚氰胺是一種用于制造塑料的有機化合物，具有高濃度毒性。今年4月，印尼就有100多人死于飲酒，其中有一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葡萄酒。

研究人員的系統(tǒng)被稱為RFIQ，它包括一個讀取器，當(dāng)信號與食物相互作用時，該讀取器可以檢測到來自RFID標(biāo)簽的無線信號的微小變化。在這項研究中，他們關(guān)注的是嬰兒配方奶粉和酒精，但在未來，消費者可能會有自己的閱讀器和軟件，在購買幾乎任何產(chǎn)品之前進(jìn)行食品安全測試。研究人員表示，該系統(tǒng)還可以在超市或智能冰箱的后室實現(xiàn)，連續(xù)ping RFID標(biāo)簽，自動檢測食物腐敗。該技術(shù)依賴于這樣一個事實，即來自射頻識別標(biāo)簽的信號的一些變化對應(yīng)于產(chǎn)品中一些污染物的水平。機器學(xué)習(xí)模型“學(xué)習(xí)”這些相關(guān)性，給定新材料，它可以預(yù)測材料是純的還是污染的，以及它的濃度。實驗中，該系統(tǒng)對含有三聚氰胺的嬰幼兒配方奶粉的檢測準(zhǔn)確率為96%，對甲醇稀釋酒精的檢測準(zhǔn)確率為97%。

“近年來，如果我們都有自己的工具來感知食品質(zhì)量和安全，我們就可以避免許多與食品和飲料相關(guān)的危害，”助理教授、《媒體實驗室》的合著者法德爾阿迪布說。在一篇描述這個系統(tǒng)的論文中，這篇論文正在ACM網(wǎng)絡(luò)熱點專題研討會上發(fā)表?！拔覀兿胱屖称焚|(zhì)量和安全民主化，讓每個人都能享受到?！北疚墓餐髡甙ǎ篣nsoo Ha，博士后，第一作者；馬云飛，博士后；鐘澤軒，客座研究員；和電子工程和計算機科學(xué)研究生徐子明。

“弱耦合”的力量

還開發(fā)了用于檢測食品中的化學(xué)物質(zhì)或腐敗的其他傳感器。但這些是高度專業(yè)化的系統(tǒng)，其中傳感器涂有化學(xué)物質(zhì)，并經(jīng)過訓(xùn)練來檢測特定的污染物。媒體研究者的目標(biāo)是更廣泛的感知。阿迪布說：“我們已經(jīng)將這種檢測純粹轉(zhuǎn)移到了計算領(lǐng)域，你將在各種產(chǎn)品中使用同樣非常便宜的傳感器，比如酒精和嬰兒配方奶粉。射頻識別標(biāo)簽是一種帶有微型超高頻天線的標(biāo)簽。它們來自食物和其他物品，每件大約3到5美分。傳統(tǒng)上，一種稱為閱讀器的無線設(shè)備會查驗標(biāo)簽，標(biāo)簽會啟動并發(fā)出一個獨特的信號，其中包含標(biāo)簽所貼產(chǎn)品的信息。

研究人員的系統(tǒng)充分利用了這樣一個事實，即當(dāng)射頻識別標(biāo)簽通電時，它們發(fā)出的小電磁波進(jìn)入容器，并被容器內(nèi)容物中的分子和離子扭曲。這個過程叫做“弱耦合”?；旧?，如果材料的性質(zhì)改變，信號性質(zhì)也會改變。特征變形的一個簡單例子是空氣和水的容器。如果容器是空的，射頻識別總是以大約950兆赫的速度響應(yīng)。如果裝滿水，水會吸收一些頻率，它的主要響應(yīng)只有720 MHz左右。特征變形使用不同的材料和不同的污染物來獲得更精細(xì)的粒度?！斑@些信息可以用來對材料進(jìn)行分類.[和]表現(xiàn)出不純物質(zhì)和純物質(zhì)的不同特征，”哈說。

在研究人員的系統(tǒng)中，閱讀器發(fā)出無線信號，為食品容器上的射頻識別標(biāo)簽供電。電磁波穿透容器中的材料，并以失真的振幅(信號強度)和相位(角度)返回讀取器。當(dāng)閱讀器提取信號特征時，它會將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到獨立計算機上的機器學(xué)習(xí)模型。在訓(xùn)練過程中，研究人員告訴模型哪些特征變化對應(yīng)于純物質(zhì)或不純物質(zhì)。在這項研究中，他們使用純酒精和含有25%、50%、75%和100%甲醇的酒精。嬰兒配方奶粉中摻入了不同比例的三聚氰胺，從0%到30%不等?！叭缓?，模型將自動知道在這個百分比水平上受這種雜質(zhì)影響最大的頻率，”阿迪布說?！耙坏┪覀兊玫揭粋€新的樣本，比如20%的甲醇，模型就會提取(特征)并加權(quán)，然后告訴你，‘我認(rèn)為這是含有20%甲醇的酒精?！?

放大頻率

這一系統(tǒng)的概念源于一種被稱為射頻光譜的技術(shù)，它可以用寬頻率的電磁波激發(fā)材料，并測量各種相互作用來確定材料的成分。然而，系統(tǒng)采用這種技術(shù)有一個主要挑戰(zhàn)：射頻識別標(biāo)簽僅在非常緊湊的帶寬內(nèi)振蕩，其波動約為950兆赫。在有限的帶寬內(nèi)提取信號不會凈化任何有用的信息。

研究人員基于他們早期開發(fā)的傳感技術(shù)，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——來測量數(shù)百個頻率。讀取器發(fā)送大約950兆赫的信號為射頻識別標(biāo)簽供電。當(dāng)它被激活時，閱讀器發(fā)送另一個頻率，并掃描大約400到800兆赫的頻率范圍。它檢測所有這些頻率的功能變化，并將其提供給讀者。“鑒于這種反應(yīng)，幾乎就像我們改造了廉價的RFID。

為微型射頻分光鏡，”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，因為你想要學(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。”