MIT Media Lab -forskare har utvecklat ett trådlöst system som utnyttjar de billiga RFID -taggarna redan på hundratals miljarder produkter för att känna av potentiell matförorening - utan att hårdvara behöver ändras. Med det enkla, skalbart system, forskarna hoppas kunna ge livsmedelssäkerhetsdetektering till allmänheten.

Livsmedelssäkerhetsincidenter har gjort rubriker över hela världen för att ha orsakat sjukdom och död nästan varje år under de senaste två decennierna. År 2008, till exempel, 50, 000 spädbarn i Kina var inlagda på sjukhus efter att ha ätit modersmjölksersättning förfalskad med melamin, en organisk förening som används för att tillverka plast, som är giftigt i höga koncentrationer. Och i april, mer än 100 personer i Indonesien dog av alkoholförorenad alkohol, till viss del, med metanol, en giftig alkohol som vanligtvis används för att späda sprit till salu på svarta marknader runt om i världen.

Forskarnas system, kallas RFIQ, inkluderar en läsare som känner av små förändringar i trådlösa signaler som avges från RFID -taggar när signalerna interagerar med mat. För denna studie fokuserade de på babyformel och alkohol, men i framtiden, konsumenter kan ha sin egen läsare och mjukvara för att genomföra livsmedelssäkerhetskontroll innan de köper praktiskt taget vilken produkt som helst. System kan också implementeras i supermarkets bakrum eller i smarta kylskåp för att kontinuerligt pinga en RFID -tagg för att automatiskt upptäcka matförstörelse, säger forskarna.

Tekniken beror på det faktum att vissa förändringar i signalerna från en RFID -tagg motsvarar nivåerna av vissa föroreningar i produkten. En maskininlärningsmodell "lär sig" dessa korrelationer och, fått ett nytt material, kan förutsäga om materialet är rent eller smutsigt, och i vilken koncentration. I experiment, systemet upptäckte babyformeln spetsad med melamin med 96 procents noggrannhet, och alkohol utspädd med metanol med 97 procents noggrannhet.

"Under de senaste åren har det har varit så många faror relaterade till mat och dryck som vi kunde ha undvikit om vi alla hade verktyg för att känna av matkvalitet och säkerhet själva, "säger Fadel Adib, en biträdande professor vid Media Lab som är medförfattare på ett papper som beskriver systemet, som presenteras på ACM Workshop on Hot Topics in Networks. "Vi vill demokratisera livsmedelskvalitet och säkerhet, och överlämna det till alla. "

Tidningens medförfattare inkluderar:postdoc och första författare Unsoo Ha, postdoc Yunfei Ma, gästforskare Zexuan Zhong, och elteknik och datavetenskap doktorand Tzu-Ming Hsu.

Kraften hos "svag koppling"

Andra sensorer har också utvecklats för att upptäcka kemikalier eller förstörelse i livsmedel. Men det är högspecialiserade system, där sensorn är belagd med kemikalier och utbildad för att upptäcka specifika föroreningar. Media Lab -forskarna siktar istället på bredare avkänning. "Vi har flyttat den här upptäckten enbart till beräkningssidan, där du ska använda samma mycket billiga sensor för så varierade produkter som alkohol och babyformel, "Säger Adib.

RFID -taggar är klistermärken med små, ultrahögfrekventa antenner. De kommer på livsmedelsprodukter och andra föremål, och varje kostar cirka tre till fem cent. Traditionellt, en trådlös enhet som kallas en läsare pingar taggen, som slår på och avger en unik signal som innehåller information om produkten den fastnar för.

Forskarnas system utnyttjar det faktum att, när RFID -taggar startar, de små elektromagnetiska vågorna de avger reser in i och förvrängs av molekylerna och jonerna i innehållet i behållaren. Denna process är känd som "svag koppling". Väsentligen, om materialets egendom ändras, det gör också signalegenskaperna.

Ett enkelt exempel på funktionsförvrängning är med en behållare med luft kontra vatten. Om en behållare är tom, RFID svarar alltid på cirka 950 megahertz. Om den är fylld med vatten, vattnet absorberar en del av frekvensen, och dess huvudsakliga svar är cirka 720 megahertz. Funktionsförvrängningar blir mycket mer finkorniga med olika material och olika föroreningar. "Den typen av information kan användas för att klassificera material ... [och] visa olika egenskaper mellan orena och rena material, "Ha säger.

I forskarnas system, en läsare avger en trådlös signal som driver RFID -taggen på en matbehållare. Elektromagnetiska vågor tränger in i materialet inuti behållaren och återgår till läsaren med förvrängd amplitud (signalstyrka) och fas (vinkel).

När läsaren extraherar signalfunktionerna, den skickar dessa data till en maskininlärningsmodell på en separat dator. I träning, forskarna berättar för modellen vilka ändringar i funktionen motsvarar rena eller orena material. För denna studie, de använde ren alkohol och alkohol smittad med 25, 50, 75, och 100 procent metanol; babyformeln förfalskades med en varierad andel melamin, från 0 till 30 procent.

"Sedan, modellen kommer automatiskt att lära sig vilka frekvenser som påverkas mest av denna typ av orenhet vid denna procentsats, "Säger Adib." När vi fått ett nytt prov, säga, 20 procent metanol, modellen extraherar [funktionerna] och väger dem, och säger till dig, 'Jag tror med hög noggrannhet att detta är alkohol med 20 procent metanol.' "

Breddar frekvenserna

Systemets koncept härrör från en teknik som kallas radiofrekvensspektroskopi, som exciterar ett material med elektromagnetiska vågor över en stor frekvens och mäter de olika interaktionerna för att bestämma materialets sammansättning.

Men det var en stor utmaning i att anpassa denna teknik för systemet:RFID -taggar startar bara med en mycket snäv bandbredd som svävar runt 950 megahertz. Att extrahera signaler i den begränsade bandbredden skulle inte ge någon användbar information.

Forskarna byggde på en avkänningsteknik som de utvecklat tidigare, kallas tvåfrekvent excitation, som skickar två frekvenser - en för aktivering, och en för avkänning - för att mäta hundratals fler frekvenser. Läsaren skickar en signal på cirka 950 megahertz för att driva RFID -taggen. När den aktiveras, läsaren skickar en annan frekvens som sveper ett frekvensintervall från cirka 400 till 800 megahertz. Det upptäcker funktionsändringarna för alla dessa frekvenser och matar dem till läsaren.

"Med tanke på detta svar, det är nästan som om vi har förvandlat billiga RFID till små radiofrekvensspektroskop, "Säger Adib.

Eftersom behållarens form och andra miljöaspekter kan påverka signalen, forskarna arbetar för närvarande med att säkerställa att systemet kan redogöra för dessa variabler. De försöker också utöka systemets möjligheter att upptäcka många olika föroreningar i många olika material.

"Vi vill generalisera till alla miljöer, "Säger Adib." Det kräver att vi är mycket robusta, för att du vill lära dig att extrahera de rätta signalerna och eliminera miljöpåverkan från vad som finns i materialet. "