打造數字鼻子！感測器晶元結合機器學習，AI也懂聞香說味

關於讓機器具有視覺、聽覺，能分辨物體、聽聲識人等相關研究，在人工智慧的浪潮下已經誕生許多成果，其實讓機器有嗅覺也是不少科研人員感興趣的議題，2018 年 6 月英國的拉夫堡大學（Loughborough University）、愛丁堡西部綜合醫院（Western General Hospital）等單位的研究人員開發了一種基於深度學習的方法，可以分析人體呼吸中的化合物，並檢測疾病如癌症。

參與這項研究計劃的拉夫堡大學講師 Andrea Soltoggio 在 The Conversation 撰文指出，動物甚至植物都使用嗅覺來識別空氣中的數百種物質，但人類的嗅覺並不如其他動物發達，基於這項原因，人類並沒有特別意識到有很多豐富的信息資訊在空中傳遞。而想要建立高度敏感的嗅覺系統來感知，人工智慧可以幫上忙。

因此他們利用深度學習網路及參與癌症治療患者的呼吸樣本，訓練出一個專門讀取氣味痕迹的 AI 系統，可以辨識呼吸中的特定化合物，例如醛類，此類化學物質通常用來調製香水，但其實也與人類的壓力狀況和疾病有關。

目標打造成本 10 美元的數字鼻子晶元

通過 AI 嗅覺來檢測醫療疾病，仍須經過長時間驗證，才有機會普及於世，但如果是應用在其他行業，商業潛力同樣不小，但落地速度倒是可以快很多。一家來自加拿大的初創公司 Startuscent 開發出化學感測器晶元，搭配雲端上的機器學習平台，可以實時辨識並量化環境中的化學成分，目前已獲食品、烹飪設備、智能家居、健康保健等行業客戶開始進行測試。

簡單來說，「就是為機器打造一個數字鼻子（digital nose），」Stratuscent 創始人暨首席技術官 Ashok Parch Masilamani 接受 DT 君採訪時這麼說。Stratuscent 使用美國 NASA 噴氣推進實驗室一部分的專利授權，自研開發一個具備 32 種化學感測器的晶元 CumULUS，並通過機器學習訓練出一個可以實時辨識並分析氣味的雲平台。拿著香水或酒，貼近晶元，系統隨即分析出內含了哪些化學成份，另外，不同的人各自呼出一口氣，系統也能辨識出兩人口氣的差異。

圖：當晶元靠近有味道的東西，例如酒或香水，AI 就會實時偵測氣體中有哪些化學物質（圖片來源：DT 君）

靠氣味指紋來識別

他進一步解釋 Stratuscent 的技術，大致與鼻子的工作方式相同，當我們聞到東西時，人的鼻子會產生一組獨特的信號組合，再經過處理和記憶，形成一個紀錄，概念就像是指紋（fingerprint）一樣，之後當我們聞到氣味，大腦就會調用它來識別和比對。Stratuscent 的感測器晶元採用納米複合材料，當它接觸到任何化學物質時會產生獨特的數字指紋，然後將這種數字化的氣味發送到雲端 AI 引擎，再由 AI 進行識別並分類其化學成份。

本科念硅納米光子學（Silicon Nanophotonics）的 Ashok Parch Masilamani，在創立 Stratuscent 之前，曾在半導體公司 Applied Nanotools 擔任首席技術官，專門開發 X 射線光學、基於光子學的化學感測器，客戶主要是石油、天然氣公司。

在化學感測器領域資歷超過 20 年的他分析，現有化學感測方案的市場很分散，例如電化學（electrochemical）、金屬氧化物（MOX）這類標準氣體感測器，只能偵測單一種特定的氣體／化學物質。

在「非實時」的化學檢測部分，幾十年來，各地的實驗室或研究機構要檢測空氣中的少量物質時，通常使用「氣相色譜質譜儀」，簡稱 GC-MS，或是離子質譜（Ion-mass spectrometry）分析儀，過程因為需要專家手動檢查，分析大量數據，因此相當耗時，而且這些設備難以小型化，成本高，從 1 萬至 10 萬美元不等，不是讓一般人購買的。

所以，「低成本、實時、多氣體的檢測解決方案，這片市場是空白的，」Ashok Parch Masilamani 說，因此，Stratuscent 的目標便清晰地鎖定在「消費級」市場，他也表示，晶元量產價格應可落在 10 美元左右，計劃在 2019 年下半年量產開賣。

圖：Stratuscent 創始人暨首席技術官 Ashok Parch Masilamani（圖片來源：DT 君）

現今我們生活的時代，智能設備發展出幾乎跟人類一樣感知世界的能力，包括視覺、聽覺、甚至是觸覺，「嗅覺」同樣有助於對環境的理解，例如智能家居的煙霧探測器除了警告冒煙和火災的可能性，也可以提供環境空氣質量的訊息，或是未來冰箱可以在食物變質時主動告知用戶，或者是烤箱能夠自行調節溫度，這些應用都可通過了解氣體中的化學物質來實現。

目前 Stratuscent 已經把 CumULUS 晶元提供給客戶測試，目前主要有三大領域，一是室內空氣質量監測，可以檢測居家和辦公室中有害的揮發性有機化合物（VOC，Volatile Organic Compounds），二是食品安全，如烹飪設備和家電業者希望將感測器嵌入產品，不論是用以檢測到食物腐敗釋放出的 VOC，或是通過氣味來判斷食物烹調的狀況，第三個領域則是健康醫療，通過人呼出的氣息，來偵測糖尿病、肺癌、結腸癌和哮喘等。

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