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新型无线系统:用RFID标签检测食品安全!

发布时间:2018-11-20

背景

  食品安全问题,是食物中有毒、有害物质对人体健康产生影响的公共卫生问题。过去二十年来,食品安全事故几乎每年都会照成疾病与死亡。因此,食品安全问题屡次成为全球的头条新闻。

  举例来说,2008年,由于食用掺有三聚氰胺的婴幼儿配方奶粉,中国有5万多名婴幼儿接收治疗。三聚氰胺,是一种用于制造塑料的有机成分,高浓度时是有毒的。今年4月份,印度尼西亚有超过百人死于饮用受到一定程度甲醇污染的酒。甲醇,在加水稀释后与酒精的气味相近,且售价远低于食用酒精,在全球的黑市上销售。严格地讲,甲醇兑的产品纯属毒液。

  然而,创新技术可以帮助我们检测食品是否发生腐败变质或者受到污染。笔者曾经介绍过这方面的科研案例,例如:

  1)加拿大麦克马斯特大学研究人员开发出一种透明测试贴片,上面印刷有无害分子,能在食品受到污染时发出信号。这种贴片可直接集成到食品包装中,检测有害的致病菌例如:大肠杆菌和沙门氏菌。

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(图片来源:麦克马斯特大学)

  2)美国克拉克森大学的科学家们开发出一种低成本、便携式纸基传感器,不仅能检测食品是否腐败变质或者受到污染,也能检测化妆品内是否含有有害物质,还可以鉴别偏远山林里的新型药用植物,甚至可以鉴定茶和酒。

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(图片来源:Silvana Andreescu)

  3)美国加州大学伯克利分校以及台湾交通大学的研究人员设计出一种低功耗的传感器,它能够无线地检测牛奶新鲜程度。

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(图片来源:加州大学伯克利分校)

  创新

  今天,让我们再看一项应用于食品安全方面的创新技术。近日,美国麻省理工学院(MIT)媒体实验室(Media Lab)的研究人员们开发出一种无线系统,采用在数以亿计产品上广泛使用的廉价 RFID 标签来检测食品污染,而且无需任何硬件修改。研究人员希望通过这种简单、可拓展的系统,向大众普及食品安全检测。

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(图片来源:MIT)

  描述这一系统论文已成为国际计算机学会研讨会的网络热门话题。论文合著者包括:媒体实验室助理教授 Fadel Adib、第一作者博士后 Unsoo Ha、博士后 Yunfei Ma、访问研究员 Zexuan Zhong、电气与计算机科学系研究生 Tzu-Ming Hsu。

  技术

  研究人员开发的系统称为“RFIQ”,内含一个阅读器。当 RFID 标签发出无线信号与食品进行交互时,感知信号每分钟的变化。他们在这项研究中主要关注了婴幼儿配方奶粉与酒。

  这项技术是基于:RFID标签发出的信号会根据产品中特定污染物的水平而产生特定的变化。机器学习模型“学习”这些相关性,如果有一种新材料,它就可以预测材料是纯净的还是受污染的,以及受污染的程度。在实验中,系统检测含三聚氰胺的婴幼儿配方奶粉的精准度达96%,检测甲醇稀释的酒精的精准度达97%。

  对于检测食品中的化学物质或者腐败来说,目前已经开发出一些其他的传感器,但是那些都是高度专业化的系统,传感器涂有化学物质,并被训练去检测特定的污染物。媒体实验室的研究人员们的目标是致力于更广泛的感知。Fadel Adib 表示:“我们将这种检测完全转移至计算侧,你将可采用非常廉价的传感器检测各种产品,例如酒和婴儿配方奶粉。”

  RFID 标签是含有超高频微型天线的贴纸。它们贴在食品和其他物品上,每个标签大约花费三到五美分。传统意义上说,称为“阅读器”的无线设备用于感知标签,使标签上电并发出一个独特的信号,其中包含它所粘贴的产品的信息。

  当 RFID 标签上电时,它们发出的小型电磁波会传输到容器内的食品中,食品中的离子及分子使之产生失真。这个过程也称为“弱耦合”。从根本上说,如果材料的特性发生改变,信号的特征也随之改变。

  一个关于特征失真的简单例子,就是装有空气或者水的容器。如果容器是空的,那么 RFID 将总是响应950兆赫的电磁波。如果容器装有水,那么水会吸收一些频率,并且它主要的响应是720兆赫左右。特征失真对于不同材料和不同污染物的检测是更加细粒度的。Ha 表示:“此类信息可用于分类材料,在掺杂与纯净的材料之间显示出不同的特征。”

  在研究人员的系统中,阅读器激发出的无线信号为食物容器中的 RFID 标签上电。电磁波穿透容器内部的材料,并且给阅读器返回失真的幅度(信号强度)与相位(角度)。

  当阅读器提取信号特征时,它将这些数据发送至一台独立电脑上的机器学习模型。在训练中,研究人员告知模型,纯净或掺杂的材料会有什么样相应的特征变化。这项研究中,他们采用纯净的酒和含有25%、50%、75%、100%甲醇的酒;他们采用的婴儿配方奶粉掺有不同程度的三聚氰胺,从0到30%。

  Adib 表示:“那么,模型将自动学习哪个频率最会受到这种百分比水平的污染的影响。当我们获取到新样本后,例如,20%的甲醇,模型会提取【特征】并为它们称重,并告诉你们,‘我认为这是20%的甲醇的可能性很高。’”

  系统的设计理念源自一种称为“射频频谱学”的技术,它用宽频电磁波刺激材料,并测量各种形式的交互,从而判断材料的组成。

  但是,将这项技术用于系统存在一个主要挑战:RFID标签只能在950兆赫左右的非常窄的带宽内上电。在这样受限的带宽中提取的信号无法采集到任何有用信息。

  研究人员们早期开发了一项称为“双频激发”的技术,他们的新技术是在这个上面构建起来的。“双频激发”技术发送两个频率来测量数百个频率,一个频率用于激活,一个频率用于感知。阅读器发送一个位于950兆赫左右的信号为RFID标签上电。当标签激活时,阅读器再发送另外一个频率扫过约从400兆赫至800兆赫的频率范围。它检测到所有这些频率带来的特征变化,并将它们反馈至阅读器。

  Adib 表示:“这种响应方式,就像我们将廉价的 RFID 转化为成微型射频摄谱仪。”

  由于容器的形状和其他环境因素会影响信号,研究人员目前正致力于保证系统能够考虑到这些变量。他们也在想办法拓展系统的容量,去检测许多不同的材料中的许多不同的污染物。

  Adib 表示:“我们想要适应任何环境。这就需要我们变得非常健壮,因为你想要学习提取正确的信号,消除环境对于材料内部的影响。”

  价值

  Fadel Adib 表示:“近年来,如果我们拥有自己的工具去具有感知食品质量与安全,那么许多与食品以及饮品相关的危险都能避免。我们想要实现食品质量与安全的民主化,并使得每个人都能拥有它。”

  未来,消费者们将拥有他们自己的阅读器与软件,在购买任何商品之前,都可以进行食品安全感知。研究人员称,系统也将在超市库房或者智能冰箱中实现,持续地感知 RFID 标签,自动检测食物变质。