AI 除了“看”還能“聞”？仿生“電子鼻”三十秒識別食品新鮮度

人眼可以區分數百萬種顏色，人耳可以聽出50萬種音調，而與人類的嗅覺能力相比，這都有些遜色。早在2014年，科學家發現，人鼻可以區分1萬億種氣味。對于視覺系統，科學家開發出了機器視覺；對于聽覺系統，科學家研發了語音識別。那是否存在一種可能性，制造一套人工嗅覺系統呢？

新加坡南洋理工大學（NTU）的研究人員通過模仿哺乳動物的嗅覺系統，發明了人工“電子鼻”，可準確評估肉類的新鮮度。實驗數據顯示，“電子鼻”檢測準確率高達至98.5%，而傳統檢測方法只有61.7%。

該研究成果由NTU聯合中國江南大學以及澳大利亞莫納什大學共同完成，并于10月發表在科學雜志《先進材料》上。

真正實現快速、準確、無損檢測

食物中毒幾乎是人人都有過的經歷。因為食用了被污染的食物，患者往往會上吐下瀉。其致病機理是食物中的細菌或者病毒進入人體腸道后大量繁殖，導致腸道感染。食品安全至關重要，其中關鍵的一環，就是保證食材的新鮮度，即準確對其新鮮度進行評估。

“準確”不意味著嚴格，而是適中。消費者因為懷疑存儲在冰箱內的肉類變質而丟棄，會造成大量浪費；另一方面，在不知情的情況下食用變質食物則有害健康。“人工鼻”項目負責人，NTU材料科學和工程學院陳曉東教授介紹了當前主流肉類檢測方法的弊端。

哺乳動物嗅覺系統 VS. 人工嗅覺系統

目前，測定肉類采用的是揮發性鹽基氮法。在肉類長時間放置過程中，由于酶和細菌的作用，蛋白質、脂肪和糖類被分解、變質，一系列堿性含氮的有毒物質如酪胺、組胺、尸胺等胺類被釋放出來。通過檢測這類物質的量，進而反推肉類的新鮮度。該方法主要的弊端在于，需要特定的儀器進行檢測，其使用不便，檢測復雜。這意味著只能由政府相關部門、相關人員，使用儀器在特定的環境和場合進行檢測，效率低、可使用場景少，還存在測不準的問題。

為了克服這些弊端，陳曉東等人基于哺乳動物嗅覺系統的工作原理，研發了“電子鼻”。

首先，要理解哺乳動物嗅覺系統的工作原理。對于哺乳動物來說，嗅覺系統起作用要從鼻子吸入氣體開始。氣體接觸到包含有多種嗅覺感受器的嗅覺上皮細胞，這些嗅覺感受器對很多范圍的氣體分子呈現親和性，之后嗅覺神經將感受器激活成電信號，傳到給嗅球，再經過嗅球傳遞，直到大腦，最終識別氣體并決定氣體濃度。

總的來說，哺乳動物嗅覺系統運轉可以分成兩部分，一是感受器接觸氣體，此時形成的神經信號像是氣味指紋，必須經過解讀才能得到結果。第二步則是信號通過神經傳遞給大腦，對氣氛指紋做出解讀。

用更加專業的詞匯來說，模仿哺乳動物的嗅覺系統，需要復制兩個功能：交叉反應傳感和氣味指紋模式識別。

這恰好也對應了“電子鼻”的兩個組成部分：條形碼和閱讀器。前者放置于肉類周圍，條形碼因為肉類中的不同濃度的揮發性氣體而產生變色；后者是“中樞神經系統”，用以解讀變色的條碼，給出新鮮度結果。

這兩個部分哪個更為關鍵？陳曉東坦言：“電子鼻識別肉類新鮮度之所以比傳統方法準確度高，并不是因為我們檢測了更多種類的氣體，而是對變色條碼的解讀更精確。”這也就意味著，該電子鼻技術的核心，是一個精確解讀變色條形碼信息的一套算法。

“條形碼”由20種不同類型的的殼聚糖、染料和醋酸纖維組成的多空納米復合材料構成。當其置于待測肉類之上，條碼中的鹵素染料根據氣體類型和濃度發生交叉反應，顯示出彩色條形碼（氣味指紋）。

“五彩斑斕”的條形碼形成的氣味指紋

使用手機APP可識別條形碼

比如，在條形碼上第一條帶上，有一種叫溴百里酚藍（BPB）的染料，當遇到微生物降解蛋白質產生的生物胺，其羥基基團分裂，可見色從黃色變成藍色。當暴露在不同濃度的氣體中時，條碼的每一條都會有不同顏色或顏色范圍。

設計條形碼與肉類揮發氣體反應并不困難，困難的是面對千變萬化的變色條碼，應該如何解讀。設想人的嗅覺系統，當聞到肉類散發出的臭味，就能判斷已經變質，如果味道弱一些，就能判定不新鮮。那“電子鼻”應該如何判斷呢？

陳曉東等人使用機器學習方法訓練條形碼“閱讀器”，直到系統能準確根據條形碼判斷新鮮度為止。

首先，要訓練系統，必須要給出一個標定后的準確結果。他們使用國際標準，為肉類的新鮮程度分類：新鮮、不新鮮和變質。每一種分類都會對應一組揮發性氣體含量范圍。

之后，研究人員將條形碼粘在透明聚氯乙烯（PVC）肉類包裝薄膜上，并朝向外側，但是不接觸肉制品。然后將該樣品置于25℃環境中，在不打開包裝的情況下，使用智能手機拍攝條形碼圖像。最終，他們得到了4161張肉類圖像，并隨機分成兩組：一組有 3475 張，用來訓練模型；另一組686張用來測試。

識別條形碼的模型使用的是深度卷積神經網絡算法（DCNN）。電子鼻經過訓練后，用686張圖像測試，讓系統判斷該條形碼對應的肉類屬于新鮮、不新鮮或者變質，準確度高達98.5%。

這種新型“電子鼻”，在肉質新鮮度檢測上，真正做到了便攜、準確和無損。陳曉東介紹，在此之前，類似的電子鼻存在的問題往往是過于笨重，例如拖著長長的電源線。或者是檢測條件苛刻，某些電子鼻傳感器在高溫下才能工作。而他們研發的新型電子鼻，只需要一張條形碼，和一部智能手機即可。操作人員拍下條形碼，使用專門開發的APP上傳圖片，接入云端的分析系統，快速得到結果。

陳曉東表示，由于電子鼻足夠便攜，未來可以對肉類食品進行全鏈條監測。正如之前所說，傳統的揮發性鹽基氮評估肉類新鮮度需要笨重的儀器，這就限制了它的使用。而電子鼻可以用在屠宰場、包裝、冷鏈運輸、超市，甚至消費者可以自行購買在家檢測。

需要特別說明的是，條形碼使用的材料是生物可降解的、無毒的，基于生物相容性和環保原則設計的。

應用遠不止肉類檢測

陳曉東說：“外界只關注到‘電子鼻’的概念，但真正要關注的是人工嗅覺系統。”這意味著，在理論上，一切用嗅覺可以完成的工作，“電子鼻 ”都可以做到。

陳曉東舉了個例子。檢測肉類新鮮度，實質上是檢測胺類物質的含量。同樣的原理，如果評估食用油的新鮮度，那就需要檢測酸類物質的含量。因為油在變質過程中會酸化。肉類和食用油，檢測標的變了，但原理一致。研究人員只要重新制作對于酸類物質敏感的條形碼，按照同樣的邏輯訓練系統識別即可。

如果再將使用領域擴大，電子鼻具備用在公共安全和危險品檢測的潛力。很多化學危險品本身就有特殊的氣味，這也是警犬能夠識別它們的原因，如果能用電子鼻快速準確的識別該類物質，能夠提高檢測效率和安全性。

普及仍需時間

人工嗅覺系統使用前景廣闊，但是研究起來并不容易。陳曉東說，使用電子鼻評估肉類新鮮度，看似簡單，整個研究用了兩年。如果要做到準確評估食用油、乃至冷鏈運輸檢測、公共安全和危險品檢測，還需要很長的時間。而在商業化上，當前也存在障礙。

首先，使用手機對條形碼牌照，再上傳分析，存在誤差。每個使用者的手機像素不同、拍攝環境不同、拍照水平不同，同一個條形碼，不同人拍攝顏色出入較大，而識別系統恰恰依靠顏色做判斷，這是不穩定因素之一。陳曉東已經意識到這一點，在他看來，未來如果商業化，需要研發一個專門的手持設備來讀取結果，僅僅依靠手機拍照是不行的。

此外，對于大型超市而言，它們是不傾向于用電子鼻監測肉類新鮮度，尤其是包裝類產品，這是一個責任歸屬的問題。肉類包裝上已經注明的生產日期和保質期，消費者只需要按照規定食用即可，超市沒有責任。如果超市自己監測，并保證肉類新鮮，一旦出現問題，責任就歸到了超市一方。

但無論如何，消費者對肉制品乃至其他各類食品的安全性要求是不斷提升的，電子鼻的商業化也需要一步步推進。陳曉東等人已經為其申請了專利，他們希望電子鼻未來能夠在食品工業和公共安全中廣泛應用，為消費者和食品供應鏈中的利益相關者提供一種便捷的檢測方法，從而讓公眾建立對食品安全的信心。