Enkel, skalerbart trådløst system bruger RFID-tags på milliarder af produkter til at registrere forurening

MIT Media Lab-forskere har udviklet et trådløst system, der udnytter de billige RFID-tags, der allerede er på hundredvis af milliarder af produkter, til at registrere potentiel fødevareforurening – uden behov for hardwareændringer. Med det enkle, skalerbart system, forskerne håber at bringe fødevaresikkerhedsdetektion til offentligheden.

Hændelser med fødevaresikkerhed har skabt overskrifter over hele kloden for at forårsage sygdom og død næsten hvert år i de sidste to årtier. Tilbage i 2008, for eksempel, 50, 000 babyer i Kina blev indlagt efter at have spist modermælkserstatning forfalsket med melamin, en organisk forbindelse, der bruges til at fremstille plast, som er giftigt i høje koncentrationer. Og her i april, mere end 100 mennesker i Indonesien døde af at drikke forurenet alkohol, delvis, med methanol, en giftig alkohol, der almindeligvis bruges til at fortynde spiritus til salg på sorte markeder rundt om i verden.

Forskernes system, kaldet RFIQ, omfatter en læser, der registrerer små ændringer i trådløse signaler, der udsendes fra RFID-tags, når signalerne interagerer med fødevarer. Til denne undersøgelse fokuserede de på modermælkserstatning og alkohol, men i fremtiden, forbrugere kan have deres egen læser og software til at foretage fødevaresikkerhedsmåling, før de køber stort set ethvert produkt. Systemer kan også implementeres i supermarkeds baglokaler eller i smarte køleskabe for kontinuerligt at pinge et RFID-mærke for automatisk at detektere madfordærv, siger forskerne.

Teknologien afhænger af det faktum, at visse ændringer i de signaler, der udsendes fra et RFID-tag, svarer til niveauer af visse forurenende stoffer i det pågældende produkt. En maskinlæringsmodel "lærer" disse sammenhænge og, givet nyt materiale, kan forudsige, om materialet er rent eller plettet, og i hvilken koncentration. I eksperimenter, systemet opdagede babyermælkserstatning med melamin med 96 procent nøjagtighed, og alkohol fortyndet med methanol med 97 procents nøjagtighed.

"I de seneste år, der har været så mange farer relateret til mad og drikkevarer, vi kunne have undgået, hvis vi alle havde redskaber til selv at mærke fødevarekvalitet og sikkerhed, " siger Fadel Adib, en adjunkt ved Media Lab, som er medforfatter på et papir, der beskriver systemet, som præsenteres på ACM Workshop om Hot Topics in Networks. "Vi ønsker at demokratisere fødevarekvalitet og sikkerhed, og bringe det i hænderne på alle."

Bladets medforfattere inkluderer:postdoc og førsteforfatter Unsoo Ha, postdoc Yunfei Ma, gæsteforsker Zexuan Zhong, og elektroingeniør- og datalogistuderende Tzu-Ming Hsu.

Styrken ved "svag kobling"

Der er også udviklet andre sensorer til at detektere kemikalier eller fordærv i fødevarer. Men det er højt specialiserede systemer, hvor sensoren er belagt med kemikalier og trænet til at detektere specifikke forureninger. Media Lab-forskerne sigter i stedet efter bredere sansning. "Vi har flyttet denne detektering udelukkende til beregningssiden, hvor du kommer til at bruge den samme meget billige sensor til produkter så forskellige som alkohol og modermælkserstatning, " siger Adib.

RFID-tags er klistermærker med bittesmå, ultrahøjfrekvente antenner. De kommer på fødevarer og andre varer, og hver koster omkring tre til fem øre. Traditionelt, en trådløs enhed kaldet en læser pinger mærket, som tænder og udsender et unikt signal, der indeholder information om det produkt, det sidder fast på.

Forskernes system udnytter det faktum, at når RFID-tags tændes, de små elektromagnetiske bølger, de udsender, rejser ind i og forvrænges af molekylerne og ioner af indholdet i beholderen. Denne proces er kendt som "svag kobling". I det væsentlige, hvis materialets egenskaber ændres, det samme gør signalegenskaberne.

Et simpelt eksempel på funktionsforvrængning er med en beholder med luft versus vand. Hvis en beholder er tom, RFID vil altid reagere ved omkring 950 megahertz. Hvis den er fyldt med vand, vandet absorberer noget af frekvensen, og dens primære respons er omkring kun 720 megahertz. Funktionsforvrængninger bliver langt mere finkornede med forskellige materialer og forskellige forurenende stoffer. "Den slags information kan bruges til at klassificere materialer ... [og] vise forskellige karakteristika mellem urene og rene materialer, "Ha siger.

I forskernes system en læser udsender et trådløst signal, der driver RFID-mærket på en fødevarebeholder. Elektromagnetiske bølger trænger ind i materialet inde i beholderen og vender tilbage til læseren med forvrænget amplitude (signalstyrke) og fase (vinkel).

Når læseren uddrager signalfunktionerne, den sender disse data til en maskinlæringsmodel på en separat computer. I træning, forskerne fortæller modellen, hvilke funktionsændringer der svarer til rene eller urene materialer. Til denne undersøgelse, de brugte ren alkohol og alkohol plettet med 25, 50, 75, og 100% methanol; babyerstatning blev forfalsket med en varieret procentdel af melamin, fra 0 til 30 procent.

"Derefter, modellen vil automatisk lære, hvilke frekvenser der er mest påvirket af denne type urenheder på dette procentniveau, " siger Adib. "Når vi får en ny prøve, sige, 20 procent methanol, modellen udtrækker [egenskaberne] og vægter dem, og fortæller dig, 'Jeg tror med høj nøjagtighed, at det her er alkohol med 20 procent methanol.'

Udvidelse af frekvenserne

Systemets koncept stammer fra en teknik kaldet radiofrekvensspektroskopi, som exciterer et materiale med elektromagnetiske bølger over en bred frekvens og måler de forskellige interaktioner for at bestemme materialets sammensætning.

Men der var en stor udfordring ved at tilpasse denne teknik til systemet:RFID-tags tænder kun ved en meget snæver båndbredde, der vakler omkring 950 megahertz. At udtrække signaler i den begrænsede båndbredde ville ikke give nogen nyttig information.

Forskerne byggede på en sanseteknik, de udviklede tidligere, kaldet to-frekvens excitation, som sender to frekvenser - en til aktivering, og en til sansning - for at måle flere hundrede frekvenser. Læseren sender et signal på omkring 950 megahertz for at drive RFID-tagget. Når den aktiveres, læseren sender en anden frekvens, der gennemstryger en række frekvenser fra omkring 400 til 800 megahertz. Den registrerer funktionsændringerne på tværs af alle disse frekvenser og sender dem til læseren.

"På baggrund af dette svar, Det er næsten, som om vi har forvandlet billige RFID'er til små radiofrekvensspektroskoper, " siger Adib.

Fordi beholderens form og andre miljøaspekter kan påvirke signalet, forskerne arbejder i øjeblikket på at sikre, at systemet kan tage højde for disse variabler. De søger også at udvide systemets muligheder for at detektere mange forskellige forurenende stoffer i mange forskellige materialer.

"Vi ønsker at generalisere til ethvert miljø, " siger Adib. "Det kræver, at vi er meget robuste, fordi du vil lære at udvinde de rigtige signaler og eliminere miljøpåvirkningen fra det, der er inde i materialet."