Onderzoekers van het MIT Media Lab hebben een draadloos systeem ontwikkeld dat gebruikmaakt van de goedkope RFID-tags die al op honderden miljarden producten zitten om mogelijke voedselbesmetting te detecteren - zonder dat er hardwareaanpassingen nodig zijn. Met de eenvoudige, schaalbaar systeem, de onderzoekers hopen voedselveiligheidsdetectie naar het grote publiek te brengen.

Voedselveiligheidsincidenten hebben de afgelopen twintig jaar bijna elk jaar de krantenkoppen gehaald over het veroorzaken van ziekte en overlijden. Terug in 2008, bijvoorbeeld, 50, 000 baby's in China werden in het ziekenhuis opgenomen na het eten van met melamine vervalste zuigelingenvoeding, een organische verbinding die wordt gebruikt om kunststoffen te maken, die in hoge concentraties giftig is. En deze april meer dan 100 mensen in Indonesië stierven door het drinken van besmette alcohol, gedeeltelijk, met methanol, een giftige alcohol die gewoonlijk wordt gebruikt om sterke drank te verdunnen voor verkoop op zwarte markten over de hele wereld.

Het systeem van de onderzoekers, genaamd RFIQ, bevat een lezer die minieme veranderingen detecteert in draadloze signalen die worden uitgezonden door RFID-tags wanneer de signalen interageren met voedsel. Voor dit onderzoek richtten ze zich op flesvoeding en alcohol, maar in de toekomst consumenten kunnen hun eigen lezer en software hebben om voedselveiligheidsmetingen uit te voeren voordat ze vrijwel elk product kopen. Systemen kunnen ook worden geïmplementeerd in achterkamers van supermarkten of in slimme koelkasten om continu een RFID-tag te pingen om voedselbederf automatisch te detecteren, zeggen de onderzoekers.

De technologie hangt af van het feit dat bepaalde veranderingen in de signalen die worden uitgezonden door een RFID-tag overeenkomen met de niveaus van bepaalde verontreinigingen in dat product. Een machine learning-model "leert" die correlaties en, nieuw materiaal gegeven, kan voorspellen of het materiaal zuiver of bedorven is, en in welke concentratie. Bij experimenten, het systeem detecteerde babyvoeding met melamine met een nauwkeurigheid van 96 procent, en alcohol verdund met methanol met een nauwkeurigheid van 97 procent.

"In recente jaren, er zijn zoveel gevaren met betrekking tot eten en drinken die we hadden kunnen vermijden als we allemaal instrumenten hadden om zelf de kwaliteit en veiligheid van voedsel te voelen, " zegt Fadel Adib, een assistent-professor bij het Media Lab die co-auteur is van een paper waarin het systeem wordt beschreven, die wordt gepresenteerd tijdens de ACM Workshop over Hot Topics in Networks. "We willen voedselkwaliteit en -veiligheid democratiseren, en breng het naar de handen van iedereen."

De co-auteurs van het artikel zijn:postdoc en eerste auteur Unsoo Ha, postdoc Yunfei Ma, gastonderzoeker Zexuan Zhong, en elektrotechniek en informatica afgestudeerde student Tzu-Ming Hsu.

De kracht van "zwakke koppeling"

Ook zijn er andere sensoren ontwikkeld voor het detecteren van chemicaliën of bederf in voedsel. Maar dat zijn zeer gespecialiseerde systemen, waar de sensor is gecoat met chemicaliën en getraind om specifieke verontreinigingen te detecteren. De onderzoekers van Media Lab streven daarentegen naar een bredere detectie. "We hebben deze detectie puur naar de rekenkant verplaatst, waar je dezelfde zeer goedkope sensor gaat gebruiken voor producten zo gevarieerd als alcohol en babyvoeding, ' zegt Adib.

RFID-tags zijn stickers met kleine, ultrahoge frequentie antennes. Ze komen op voedselproducten en andere items, en elk kost ongeveer drie tot vijf cent. traditioneel, een draadloos apparaat, een lezer genaamd, pingt de tag, die opstart en een uniek signaal uitzendt met informatie over het product waaraan het is vastgemaakt.

Het systeem van de onderzoekers maakt gebruik van het feit dat, wanneer RFID-tags opstarten, de kleine elektromagnetische golven die ze uitzenden reizen in en worden vervormd door de moleculen en ionen van de inhoud in de container. Dit proces staat bekend als "zwakke koppeling". Eigenlijk, als de eigenschap van het materiaal verandert, dat geldt ook voor de signaaleigenschappen.

Een eenvoudig voorbeeld van kenmerkvervorming is met een container met lucht versus water. Als een container leeg is, de RFID zal altijd rond de 950 megahertz reageren. Als het gevuld is met water, het water absorbeert een deel van de frequentie, en de belangrijkste respons is ongeveer 720 megahertz. Functievervormingen worden veel fijner met verschillende materialen en verschillende verontreinigingen. "Dat soort informatie kan worden gebruikt om materialen te classificeren ... [en] vertonen verschillende kenmerken tussen onzuivere en pure materialen, "zegt Ha.

In het systeem van de onderzoekers een lezer zendt een draadloos signaal uit dat de RFID-tag op een voedselcontainer van stroom voorziet. Elektromagnetische golven dringen het materiaal binnen in de container binnen en keren terug naar de lezer met vervormde amplitude (signaalsterkte) en fase (hoek).

Wanneer de lezer de signaalkenmerken extraheert, het stuurt die gegevens naar een machine learning-model op een aparte computer. In opleiding, de onderzoekers vertellen het model welke functieveranderingen overeenkomen met pure of onzuivere materialen. Voor deze studie is ze gebruikten pure alcohol en alcohol bedorven met 25, 50, 75, en 100 procent methanol; babyvoeding was versneden met een gevarieerd percentage melamine, van 0 tot 30 procent.

"Vervolgens, het model zal automatisch leren welke frequenties het meest worden beïnvloed door dit type onzuiverheid bij dit percentage, "zegt Adib. "Zodra we een nieuw monster hebben, zeggen, 20 procent methanol, het model extraheert [de kenmerken] en weegt ze, en vertelt je, 'Ik denk met grote nauwkeurigheid dat dit alcohol is met 20 procent methanol.'"

De frequenties verbreden

Het concept van het systeem is afgeleid van een techniek die radiofrequentiespectroscopie wordt genoemd, die een materiaal exciteert met elektromagnetische golven over een brede frequentie en de verschillende interacties meet om de samenstelling van het materiaal te bepalen.

Maar er was één grote uitdaging bij het aanpassen van deze techniek aan het systeem:RFID-tags worden alleen ingeschakeld bij een zeer krappe bandbreedte die schommelt rond de 950 megahertz. Het extraheren van signalen in die beperkte bandbreedte zou geen bruikbare informatie opleveren.

De onderzoekers bouwden voort op een detectietechniek die ze eerder ontwikkelden, genaamd twee-frequentie-excitatie, die twee frequenties verzendt:één voor activering, en een voor detectie - om honderden andere frequenties te meten. De lezer stuurt een signaal van ongeveer 950 megahertz om de RFID-tag van stroom te voorzien. Wanneer het wordt geactiveerd, de lezer zendt een andere frequentie uit die een frequentiebereik van ongeveer 400 tot 800 megahertz overschrijdt. Het detecteert de functiewijzigingen op al deze frequenties en geeft deze door aan de lezer.

"Gezien deze reactie, het is bijna alsof we goedkope RFID's hebben omgezet in kleine radiofrequentiespectroscopen, ' zegt Adib.

Omdat de vorm van de container en andere omgevingsaspecten het signaal kunnen beïnvloeden, de onderzoekers werken er momenteel aan om ervoor te zorgen dat het systeem deze variabelen kan verklaren. Ze proberen ook de mogelijkheden van het systeem uit te breiden om veel verschillende verontreinigingen in veel verschillende materialen te detecteren.

"We willen generaliseren naar elke omgeving, "zegt Adib. "Dat vereist dat we heel robuust zijn, omdat je wilt leren de juiste signalen te onttrekken en de impact van de omgeving uit het materiaal te halen."