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新型無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)：用RFID標(biāo)簽檢測(cè)食品安全！
發(fā)布時(shí)間：2018-11-20背景
食品安全問(wèn)題，是食物中有毒、有害物質(zhì)對(duì)人體健康產(chǎn)生影響的公共衛(wèi)生問(wèn)題。過(guò)去二十年來(lái)，食品安全事故幾乎每年都會(huì)照成疾病與死亡。因此，食品安全問(wèn)題屢次成為全球的頭條新聞。
舉例來(lái)說(shuō)，2008年，由于食用摻有三聚氰胺的嬰幼兒配方奶粉，中國(guó)有5萬(wàn)多名嬰幼兒接收治療。三聚氰胺，是一種用于制造塑料的有機(jī)成分，高濃度時(shí)是有毒的。今年4月份，印度尼西亞有超過(guò)百人死于飲用受到一定程度甲醇污染的酒。甲醇，在加水稀釋后與酒精的氣味相近，且售價(jià)遠(yuǎn)低于食用酒精，在全球的黑市上銷(xiāo)售。嚴(yán)格地講，甲醇兌的產(chǎn)品純屬毒液。
然而，創(chuàng)新技術(shù)可以幫助我們檢測(cè)食品是否發(fā)生腐敗變質(zhì)或者受到污染。筆者曾經(jīng)介紹過(guò)這方面的科研案例，例如：
1)加拿大麥克馬斯特大學(xué)研究人員開(kāi)發(fā)出一種透明測(cè)試貼片，上面印刷有無(wú)害分子，能在食品受到污染時(shí)發(fā)出信號(hào)。這種貼片可直接集成到食品包裝中，檢測(cè)有害的致病菌例如：大腸桿菌和沙門(mén)氏菌。
(圖片來(lái)源：麥克馬斯特大學(xué))
2)美國(guó)克拉克森大學(xué)的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)出一種低成本、便攜式紙基傳感器，不僅能檢測(cè)食品是否腐敗變質(zhì)或者受到污染，也能檢測(cè)化妝品內(nèi)是否含有有害物質(zhì)，還可以鑒別偏遠(yuǎn)山林里的新型藥用植物，甚至可以鑒定茶和酒。
(圖片來(lái)源：Silvana Andreescu)
3)美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校以及臺(tái)灣交通大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)出一種低功耗的傳感器，它能夠無(wú)線(xiàn)地檢測(cè)牛奶新鮮程度。
(圖片來(lái)源：加州大學(xué)伯克利分校)
創(chuàng)新
今天，讓我們?cè)倏匆豁?xiàng)應(yīng)用于食品安全方面的創(chuàng)新技術(shù)。近日，美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)媒體實(shí)驗(yàn)室(Media Lab)的研究人員們開(kāi)發(fā)出一種無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)，采用在數(shù)以?xún)|計(jì)產(chǎn)品上廣泛使用的廉價(jià) RFID 標(biāo)簽來(lái)檢測(cè)食品污染，而且無(wú)需任何硬件修改。研究人員希望通過(guò)這種簡(jiǎn)單、可拓展的系統(tǒng)，向大眾普及食品安全檢測(cè)。
(圖片來(lái)源：MIT)
描述這一系統(tǒng)論文已成為國(guó)際計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)研討會(huì)的網(wǎng)絡(luò)熱門(mén)話(huà)題。論文合著者包括：媒體實(shí)驗(yàn)室助理教授 Fadel Adib、第一作者博士后 Unsoo Ha、博士后 Yunfei Ma、訪(fǎng)問(wèn)研究員 Zexuan Zhong、電氣與計(jì)算機(jī)科學(xué)系研究生 Tzu-Ming Hsu。
技術(shù)
研究人員開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)稱(chēng)為“RFIQ”，內(nèi)含一個(gè)閱讀器。當(dāng) RFID 標(biāo)簽發(fā)出無(wú)線(xiàn)信號(hào)與食品進(jìn)行交互時(shí)，感知信號(hào)每分鐘的變化。他們?cè)谶@項(xiàng)研究中主要關(guān)注了嬰幼兒配方奶粉與酒。
這項(xiàng)技術(shù)是基于：RFID標(biāo)簽發(fā)出的信號(hào)會(huì)根據(jù)產(chǎn)品中特定污染物的水平而產(chǎn)生特定的變化。機(jī)器學(xué)習(xí)模型“學(xué)習(xí)”這些相關(guān)性，如果有一種新材料，它就可以預(yù)測(cè)材料是純凈的還是受污染的，以及受污染的程度。在實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)檢測(cè)含三聚氰胺的嬰幼兒配方奶粉的精準(zhǔn)度達(dá)96%，檢測(cè)甲醇稀釋的酒精的精準(zhǔn)度達(dá)97%。
對(duì)于檢測(cè)食品中的化學(xué)物質(zhì)或者腐敗來(lái)說(shuō)，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一些其他的傳感器，但是那些都是高度專(zhuān)業(yè)化的系統(tǒng)，傳感器涂有化學(xué)物質(zhì)，并被訓(xùn)練去檢測(cè)特定的污染物。媒體實(shí)驗(yàn)室的研究人員們的目標(biāo)是致力于更廣泛的感知。Fadel Adib 表示：“我們將這種檢測(cè)完全轉(zhuǎn)移至計(jì)算側(cè)，你將可采用非常廉價(jià)的傳感器檢測(cè)各種產(chǎn)品，例如酒和嬰兒配方奶粉?！?/p>
RFID 標(biāo)簽是含有超高頻微型天線(xiàn)的貼紙。它們貼在食品和其他物品上，每個(gè)標(biāo)簽大約花費(fèi)三到五美分。傳統(tǒng)意義上說(shuō)，稱(chēng)為“閱讀器”的無(wú)線(xiàn)設(shè)備用于感知標(biāo)簽，使標(biāo)簽上電并發(fā)出一個(gè)獨(dú)特的信號(hào)，其中包含它所粘貼的產(chǎn)品的信息。
當(dāng) RFID 標(biāo)簽上電時(shí)，它們發(fā)出的小型電磁波會(huì)傳輸?shù)饺萜鲀?nèi)的食品中，食品中的離子及分子使之產(chǎn)生失真。這個(gè)過(guò)程也稱(chēng)為“弱耦合”。從根本上說(shuō)，如果材料的特性發(fā)生改變，信號(hào)的特征也隨之改變。
一個(gè)關(guān)于特征失真的簡(jiǎn)單例子，就是裝有空氣或者水的容器。如果容器是空的，那么 RFID 將總是響應(yīng)950兆赫的電磁波。如果容器裝有水，那么水會(huì)吸收一些頻率，并且它主要的響應(yīng)是720兆赫左右。特征失真對(duì)于不同材料和不同污染物的檢測(cè)是更加細(xì)粒度的。Ha 表示：“此類(lèi)信息可用于分類(lèi)材料，在摻雜與純凈的材料之間顯示出不同的特征。”
在研究人員的系統(tǒng)中，閱讀器激發(fā)出的無(wú)線(xiàn)信號(hào)為食物容器中的 RFID 標(biāo)簽上電。電磁波穿透容器內(nèi)部的材料，并且給閱讀器返回失真的幅度(信號(hào)強(qiáng)度)與相位(角度)。
當(dāng)閱讀器提取信號(hào)特征時(shí)，它將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至一臺(tái)獨(dú)立電腦上的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。在訓(xùn)練中，研究人員告知模型，純凈或摻雜的材料會(huì)有什么樣相應(yīng)的特征變化。這項(xiàng)研究中，他們采用純凈的酒和含有25%、50%、75%、100%甲醇的酒;他們采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：“那么，模型將自動(dòng)學(xué)習(xí)哪個(gè)頻率最會(huì)受到這種百分比水平的污染的影響。當(dāng)我們獲取到新樣本后，例如，20%的甲醇，模型會(huì)提取【特征】并為它們稱(chēng)重，并告訴你們，‘我認(rèn)為這是20%的甲醇的可能性很高。’”
系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念源自一種稱(chēng)為“射頻頻譜學(xué)”的技術(shù)，它用寬頻電磁波刺激材料，并測(cè)量各種形式的交互，從而判斷材料的組成。
但是，將這項(xiàng)技術(shù)用于系統(tǒng)存在一個(gè)主要挑戰(zhàn)：RFID標(biāo)簽只能在950兆赫左右的非常窄的帶寬內(nèi)上電。在這樣受限的帶寬中提取的信號(hào)無(wú)法采集到任何有用信息。
研究人員們?cè)缙陂_(kāi)發(fā)了一項(xiàng)稱(chēng)為“雙頻激發(fā)”的技術(shù)，他們的新技術(shù)是在這個(gè)上面構(gòu)建起來(lái)的?！半p頻激發(fā)”技術(shù)發(fā)送兩個(gè)頻率來(lái)測(cè)量數(shù)百個(gè)頻率，一個(gè)頻率用于激活，一個(gè)頻率用于感知。閱讀器發(fā)送一個(gè)位于950兆赫左右的信號(hào)為RFID標(biāo)簽上電。當(dāng)標(biāo)簽激活時(shí)，閱讀器再發(fā)送另外一個(gè)頻率掃過(guò)約從400兆赫至800兆赫的頻率范圍。它檢測(cè)到所有這些頻率帶來(lái)的特征變化，并將它們反饋至閱讀器。
Adib 表示：“這種響應(yīng)方式，就像我們將廉價(jià)的 RFID 轉(zhuǎn)化為成微型射頻攝譜儀。”
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保證系統(tǒng)能夠考慮到這些變量。他們也在想辦法拓展系統(tǒng)的容量，去檢測(cè)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(yīng)任何環(huán)境。這就需要我們變得非常健壯，因?yàn)槟阆胍獙W(xué)習(xí)提取正確的信號(hào)，消除環(huán)境對(duì)于材料內(nèi)部的影響?！?/p>
價(jià)值
Fadel Adib 表示：“近年來(lái)，如果我們擁有自己的工具去具有感知食品質(zhì)量與安全，那么許多與食品以及飲品相關(guān)的危險(xiǎn)都能避免。我們想要實(shí)現(xiàn)食品質(zhì)量與安全的民主化，并使得每個(gè)人都能擁有它。”
未來(lái)，消費(fèi)者們將擁有他們自己的閱讀器與軟件，在購(gòu)買(mǎi)任何商品之前，都可以進(jìn)行食品安全感知。研究人員稱(chēng)，系統(tǒng)也將在超市庫(kù)房或者智能冰箱中實(shí)現(xiàn)，持續(xù)地感知 RFID 標(biāo)簽，自動(dòng)檢測(cè)食物變質(zhì)。
