Chociaż maszyny z powodzeniem przejęły już wiele funkcji zmysłów – takich jak wzrok czy słuch – odtworzenie smaku pozostawało jednym z największych wyzwań inżynierii neuromorficznej. Naukowcy z Narodowego Centrum Nanonauki i Technologii w Pekinie opracowali jednak przełomowy system, który może ten impas przełamać. Ich sztuczny „język” zbudowany na bazie tlenku grafenu potrafi rozpoznawać smaki z dokładnością sięgającą 99%. Co więcej – potrafi się ich uczyć.
Z tego artykułu dowiesz się…
- Jak działa sztuczny „język” z tlenku grafenu i czym różni się od wcześniejszych rozwiązań.
- W jaki sposób system rozpoznaje smaki z dokładnością sięgającą 98,5%.
- Jakie potencjalne zastosowania ma technologia neuromorficzna w medycynie, robotyce i kontroli jakości żywności.
- Dlaczego integracja detekcji i obliczeń w jednym urządzeniu stanowi przełom w inżynierii sensorycznej.
Tlenek grafenu – nowy materiał o zmysłowych możliwościach
Sercem nowego urządzenia jest warstwowa membrana z tlenku grafenu. W przeciwieństwie do elektroniki półprzewodnikowej, która słabo radzi sobie w środowiskach wodnych, system ten został stworzony z myślą o pracy w cieczy – dokładnie tak, jak ludzki język.
W nanokanalikach urządzenia zachodzą zjawiska adsorpcji i desorpcji jonów, co skutkuje histeretyczną reakcją elektryczną – przypominającą ulotną pamięć krótkotrwałą. To właśnie ona umożliwia zarówno detekcję, jak i przetwarzanie sygnałów w jednym komponencie – w wilgotnym środowisku, zbliżonym do fizjologicznego.
System inspirowany kubkami smakowymi i mózgiem
Jak wyjaśnia dr Yon Yang:
Zainspirowani biologicznym systemem smaku, opracowaliśmy inteligentny system wykorzystujący nasze urządzenia do 'rozpoznawania’ substancji chemicznych na podstawie ich aromatów. System składa się z trzech kluczowych komponentów: wejścia sensorycznego, warstwy rezerwuarowej oraz jednowarstwowej, w pełni połączonej sieci neuronowej.
W praktyce czujnik wykrywa substancje chemiczne i przekształca ich obecność w sygnały elektryczne, które następnie trafiają do warstwy rezerwuarowej. Te sygnały są dalej przekształcane w unikalne wzorce cyfrowe, które rozpoznaje trenowana sieć neuronowa.
99% dokładności i pamięć aromatów
Podczas testów laboratoryjnych urządzenie rozpoznawało cztery podstawowe smaki – kwaśny (kwas octowy), słony (chlorek sodu), gorzki (siarczan magnezu) i słodki (octan ołowiu) – z dokładnością 98,5%. System poradził sobie również z bardziej złożonymi próbkami, jak kawa, cola czy ich mieszanki. W próbach z 40 nowymi substancjami smakowymi dokładność klasyfikacji utrzymywała się na poziomie 75–90%.
Zaskakująca była również zdolność systemu do przechowywania informacji o smakach przez nawet 140 sekund – znacznie dłużej niż przewidywałby to prosty ruch jonów. Dzięki temu sztuczny język wykazuje cechy synaptyczne – potrafi „pamiętać” smaki i rozpoznawać je po czasie.
Przełomowe połączenie: czujnik i „mózg” w jednym
Największą innowacją chińskiego systemu jest integracja detekcji i przetwarzania sygnału w jednej strukturze. Poprzednie sztuczne języki rozdzielały te funkcje, co wiązało się z opóźnieniami, mniejszą dokładnością i większym zużyciem energii. Tutaj sensoryka i obliczenia odbywają się w tym samym środowisku fizycznym.
Tlenek grafenu, dzięki swojej elektrycznej wrażliwości, reaguje dynamicznie na kontakt z różnymi związkami chemicznymi, co umożliwia tworzenie bogatych sygnałów elektrycznych – idealnych do uczenia maszynowego.
Od badań laboratoryjnych do praktycznych zastosowań
Obecna wersja sztucznego języka wciąż pozostaje prototypem – jest duża, energochłonna i nieprzystosowana do użytku poza laboratorium. Naukowcy planują jednak miniaturyzację i poprawę efektywności energetycznej. Jeśli im się to uda, technologia może znaleźć zastosowanie m.in. w:
- opiece zdrowotnej (np. przywracanie smaku osobom po udarze czy infekcjach),
- robotyce (smak jako kanał percepcji),
- monitorowaniu środowiska,
- bezpieczeństwie i kontroli jakości żywności.
Ten system ma potencjał, aby pewnego dnia przywrócić percepcję smaku osobom, które ją utraciły – zauważyli autorzy badania.
Nowy rozdział w inżynierii zmysłów
Chiński sztuczny język to ważny krok w kierunku pełniejszego odwzorowania ludzkich zmysłów przez maszyny. Technologia, która jeszcze niedawno wydawała się czystą fantastyką, dziś osiąga niemal 99% dokładności w rozpoznawaniu smaków i uczy się ich w czasie rzeczywistym. Połączenie grafenu, nanotechnologii, neuromorficznych obliczeń i sztucznej inteligencji otwiera nowe możliwości – nie tylko dla nauki, ale i medycyny przyszłości.
Główne wnioski
- Sztuczny język opracowany w Chinach potrafi rozróżniać smaki słodki, słony, kwaśny i gorzki z dokładnością do 98,5%, działając w warunkach wilgotnych – podobnych do ludzkich ust.
- Technologia oparta na tlenku grafenu pozwala nie tylko na detekcję związków chemicznych, ale także ich przetwarzanie i zapamiętywanie w jednym urządzeniu – imitując funkcje ludzkiej synapsy.
- System został przetestowany na ponad 160 substancjach chemicznych i z powodzeniem rozpoznał także złożone napoje, takie jak kawa czy Coca-Cola.
- Wciąż w fazie prototypowej, urządzenie wymaga miniaturyzacji i optymalizacji zużycia energii, ale może znaleźć zastosowanie m.in. w medycynie, robotyce oraz monitorowaniu środowiska.
Źródło:
- Na podstawie informacji: New Atlas, PNAS, Interesting Engineering, Proceedings of the National Academy of Sciences opracowanie własne Alert Medyczny
