食品安全問題，是食物中有毒、有害物質(zhì)對人體健康產(chǎn)生影響的公共衛(wèi)生問題。過去二十年來，食品安全事故幾乎每年都會照成疾病與死亡。因此，食品安全問題屢次成為全球的頭條新聞。
舉例來說，2008年，由于食用摻有三聚氰胺的嬰幼兒配方奶粉，中國有5萬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成分，高濃度時是有毒的。今年4月份，印度尼西亞有超過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，且售價遠低于食用酒精，在全球的黑市上銷售。嚴格地講，甲醇兌的產(chǎn)品純屬毒液。
然而，創(chuàng)新技術可以幫助我們檢測食品是否發(fā)生腐敗變質(zhì)或者受到污染。筆者曾經(jīng)介紹過這方面的科研案例，例如：
1)加拿大麥克馬斯特大學研究人員開發(fā)出一種透明測試貼片，上面印刷有無害分子，能在食品受到污染時發(fā)出信號。這種貼片可直接集成到食品包裝中，檢測有害的致病菌例如：大腸桿菌和沙門氏菌。
2)美國克拉克森大學的科學家們開發(fā)出一種低成本、便攜式紙基傳感器，不僅能檢測食品是否腐敗變質(zhì)或者受到污染，也能檢測化妝品內(nèi)是否含有有害物質(zhì)，還可以鑒別偏遠山林里的新型藥用植物，甚至可以鑒定茶和酒。
3)美國加州大學伯克利分校以及臺灣交通大學的研究人員設計出一種低功耗的傳感器，它能夠無線地檢測牛奶新鮮程度。
今天，讓我們再看一項應用于食品安全方面的創(chuàng)新技術。近日，美國麻省理工學院(MIT)媒體實驗室(Media Lab)的研究人員們開發(fā)出一種無線系統(tǒng)，采用在數(shù)以億計產(chǎn)品上廣泛使用的廉價 RFID 標簽來檢測食品污染，而且無需任何硬件修改。研究人員希望通過這種簡單、可拓展的系統(tǒng)，向大眾普及食品安全檢測。
描述這一系統(tǒng)論文已成為國際計算機學會研討會的網(wǎng)絡熱門話題。論文合著者包括：媒體實驗室助理教授 Fadel Adib、第一作者博士后 Unsoo Ha、博士后 Yunfei Ma、訪問研究員 Zexuan Zhong、電氣與計算機科學系研究生 Tzu-Ming Hsu。
研究人員開發(fā)的系統(tǒng)稱為“RFIQ”，內(nèi)含一個閱讀器。當 RFID 標簽發(fā)出無線信號與食品進行交互時，感知信號每分鐘的變化。他們在這項研究中主要關注了嬰幼兒配方奶粉與酒。
這項技術是基于：RFID標簽發(fā)出的信號會根據(jù)產(chǎn)品中特定污染物的水平而產(chǎn)生特定的變化。機器學習模型“學習”這些相關性，如果有一種新材料，它就可以預測材料是純凈的還是受污染的，以及受污染的程度。在實驗中，系統(tǒng)檢測含三聚氰胺的嬰幼兒配方奶粉的精準度達96%，檢測甲醇稀釋的酒精的精準度達97%。
對于檢測食品中的化學物質(zhì)或者腐敗來說，目前已經(jīng)開發(fā)出一些其他的傳感器，但是那些都是高度專業(yè)化的系統(tǒng)，傳感器涂有化學物質(zhì)，并被訓練去檢測特定的污染物。媒體實驗室的研究人員們的目標是致力于更廣泛的感知。Fadel Adib 表示：“我們將這種檢測完全轉(zhuǎn)移至計算側(cè)，你將可采用非常廉價的傳感器檢測各種產(chǎn)品，例如酒和嬰兒配方奶粉。”
RFID 標簽是含有超高頻微型天線的貼紙。它們貼在食品和其他物品上，每個標簽大約花費三到五美分。傳統(tǒng)意義上說，稱為“閱讀器”的無線設備用于感知標簽，使標簽上電并發(fā)出一個獨特的信號，其中包含它所粘貼的產(chǎn)品的信息。
當 RFID 標簽上電時，它們發(fā)出的小型電磁波會傳輸?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。這個過程也稱為“弱耦合”。從根本上說，如果材料的特性發(fā)生改變，信號的特征也隨之改變。
一個關于特征失真的簡單例子，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950兆赫的電磁波。如果容器裝有水，那么水會吸收一些頻率，并且它主要的響應是720兆赫左右。特征失真對于不同材料和不同污染物的檢測是更加細粒度的。Ha 表示：“此類信息可用于分類材料，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)出的無線信號為食物容器中的 RFID 標簽上電。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(信號強度)與相位(角度)。
當閱讀器提取信號特征時，它將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至一臺獨立電腦上的機器學習模型。在訓練中，研究人員告知模型，純凈或摻雜的材料會有什么樣相應的特征變化。這項研究中，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，模型將自動學習哪個頻率最會受到這種百分比水平的污染的影響。當我們獲取到新樣本后，例如，20%的甲醇，模型會提取【特征】并為它們稱重，并告訴你們，‘我認為這是20%的甲醇的可能性很高。’”
系統(tǒng)的設計理念源自一種稱為“射頻頻譜學”的技術，它用寬頻電磁波刺激材料，并測量各種形式的交互，從而判斷材料的組成。但是，將這項技術用于系統(tǒng)存在一個主要挑戰(zhàn)：RFID標簽只能在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無法采集到任何有用信息。
研究人員們早期開發(fā)了一項稱為“雙頻激發(fā)”的技術，他們的新技術是在這個上面構建起來的。“雙頻激發(fā)”技術發(fā)送兩個頻率來測量數(shù)百個頻率，一個頻率用于激活，一個頻率用于感知。閱讀器發(fā)送一個位于950兆赫左右的信號為RFID標簽上電。當標簽激活時，閱讀器再發(fā)送另外一個頻率掃過約從400兆赫至800兆赫的頻率范圍。它檢測到所有這些頻率帶來的特征變化，并將它們反饋至閱讀器。
Adib 表示：“這種響應方式，就像我們將廉價的 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)境因素會影響信號，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：“我們想要適應任何環(huán)境。這就需要我們變得非常健壯，因為你想要學習提取正確的信號，消除環(huán)境對于材料內(nèi)部的影響。”Fadel Adib 表示：“近年來，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的危險都能避免。我們想要實現(xiàn)食品質(zhì)量與安全的民主化，并使得每個人都能擁有它。”
未來，消費者們將擁有他們自己的閱讀器與軟件，在購買任何商品之前，都可以進行食品安全感知。研究人員稱，系統(tǒng)也將在超市庫房或者智能冰箱中實現(xiàn)，持續(xù)地感知 RFID 標簽，自動檢測食物變質(zhì)。
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