RFID檢測(cè)創(chuàng)新技術(shù)助力食品安全

近日，美國麻省理工學(xué)院(MIT)媒體實(shí)驗(yàn)室(MediaLab)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(jì)產(chǎn)品上廣泛使用的RFID標(biāo)簽來檢測(cè)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(jiǎn)單、可拓展的系統(tǒng)，向大眾普及食品安全檢測(cè)。

(圖片來源：MIT)

描述這一系統(tǒng)論文已成為國際計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)研討會(huì)的網(wǎng)絡(luò)熱門話題。論文合著者包括：媒體實(shí)驗(yàn)室助理教授FadelAdib、第一作者博士后UnsooHa、博士后YunfeiMa、訪問研究員ZexuanZhong、電氣與計(jì)算機(jī)科學(xué)系研究生Tzu-MingHsu。

技術(shù)

研究人員開發(fā)的系統(tǒng)稱為“RFIQ”，內(nèi)含一個(gè)閱讀器。當(dāng)RFID標(biāo)簽發(fā)出無線信號(hào)與食品進(jìn)行交互時(shí)，感知信號(hào)每分鐘的變化。他們?cè)谶@項(xiàng)研究中主要關(guān)注了嬰幼兒配方奶粉與酒。

這項(xiàng)技術(shù)是基于：RFID標(biāo)簽發(fā)出的信號(hào)會(huì)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(jī)器學(xué)習(xí)模型“學(xué)習(xí)”這些相關(guān)性，如果有一種新材料，它就可以預(yù)測(cè)材料是純凈的還是受污染的，以及受污染的程度。在實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)檢測(cè)含三聚氰胺的嬰幼兒配方奶粉的精準(zhǔn)度達(dá)96%，檢測(cè)甲醇稀釋的酒精的精準(zhǔn)度達(dá)97%。

對(duì)于檢測(cè)食品中的化學(xué)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(xué)物質(zhì)，并被訓(xùn)練去檢測(cè)特定的污染物。媒體實(shí)驗(yàn)室的研究人員們的目標(biāo)是致力于更廣泛的感知。FadelAdib表示：“我們將這種檢測(cè)完全轉(zhuǎn)移至計(jì)算側(cè)，你將可采用非常廉價(jià)的傳感器檢測(cè)各種產(chǎn)品，例如酒和嬰兒配方奶粉。”

RFID標(biāo)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(gè)標(biāo)簽大約花費(fèi)三到五美分。傳統(tǒng)意義上說，稱為“閱讀器”的無線設(shè)備用于感知標(biāo)簽，使標(biāo)簽上電并發(fā)出一個(gè)獨(dú)特的信號(hào)，其中包含它所粘貼的產(chǎn)品的信息。

當(dāng)RFID標(biāo)簽上電時(shí)，它們發(fā)出的小型電磁波會(huì)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(gè)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(hào)的特征也隨之改變。

一個(gè)關(guān)于特征失真的簡(jiǎn)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(yīng)950兆赫的電磁波。如果容器裝有水，那么水會(huì)吸收一些頻率，并且它主要的響應(yīng)是720兆赫左右。特征失真對(duì)于不同材料和不同污染物的檢測(cè)是更加細(xì)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?！?/p>

在研究人員的系統(tǒng)中，閱讀器激發(fā)出的無線信號(hào)為食物容器中的RFID標(biāo)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(hào)強(qiáng)度)與相位(角度)。

當(dāng)閱讀器提取信號(hào)特征時(shí)，它將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至一臺(tái)獨(dú)立電腦上的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。在訓(xùn)練中，研究人員告知模型，純凈或摻雜的材料會(huì)有什么樣相應(yīng)的特征變化。這項(xiàng)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(dòng)學(xué)習(xí)哪個(gè)頻率最會(huì)受到這種百分比水平的污染的影響。當(dāng)我們獲取到新樣本后，例如，20%的甲醇，模型會(huì)提取【特征】并為它們稱重，并告訴你們，‘我認(rèn)為這是20%的甲醇的可能性很高。’”

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念源自一種稱為“射頻頻譜學(xué)”的技術(shù)，它用寬頻電磁波刺激材料，并測(cè)量各種形式的交互，從而判斷材料的組成。

但是，將這項(xiàng)技術(shù)用于系統(tǒng)存在一個(gè)主要挑戰(zhàn)：RFID標(biāo)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(hào)無法采集到任何有用信息。

研究人員們?cè)缙陂_發(fā)了一項(xiàng)稱為“雙頻激發(fā)”的技術(shù)，他們的新技術(shù)是在這個(gè)上面構(gòu)建起來的?！半p頻激發(fā)”技術(shù)發(fā)送兩個(gè)頻率來測(cè)量數(shù)百個(gè)頻率，一個(gè)頻率用于激活，一個(gè)頻率用于感知。閱讀器發(fā)送一個(gè)位于950兆赫左右的信號(hào)為RFID標(biāo)簽上電。當(dāng)標(biāo)簽激活時(shí)，閱讀器再發(fā)送另外一個(gè)頻率掃過約從400兆赫至800兆赫的頻率范圍。它檢測(cè)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(yīng)方式，就像我們將廉價(jià)的RFID轉(zhuǎn)化為成微型射頻攝譜儀?！?/p>

由于容器的形狀和其他環(huán)境因素會(huì)影響信號(hào)，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(cè)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(yīng)任何環(huán)境。這就需要我們變得非常健壯，因?yàn)槟阆胍獙W(xué)習(xí)提取正確的信號(hào)，消除環(huán)境對(duì)于材料內(nèi)部的影響?！?/p>

價(jià)值

FadelAdib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(guān)的危險(xiǎn)都能避免。我們想要實(shí)現(xiàn)食品質(zhì)量與安全的民主化，并使得每個(gè)人都能擁有它。”

未來，消費(fèi)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(jìn)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(shí)現(xiàn)，持續(xù)地感知RFID標(biāo)簽，自動(dòng)檢測(cè)食物變質(zhì)。