背景

　　食品安全問(wèn)題，是(shì)食物(wù)中有(yǒu)毒、有(yǒu)害物(wù)質對(duì)人(rén)體(tǐ)健康産生(shē✘ng)影(yǐng)響的(de)公共衛生(shēng)問(wèn)題。過去(qù)二十年(nián)來(lái)，食品安全事(shì)故幾乎每年(nián)&都(dōu)會(huì)照(zhào)成疾病與死亡。因此，食品安全問(wèn)題屢次成為(wèi)全球的(de)頭條新聞。

　　舉例來(lái)說(shuō)，2008年(nián)，由于食用(yòng)摻有(yǒu)三聚氰胺的(de)嬰幼兒(ér)配方奶粉，中國(guó)有(y↕ǒu)5萬多(duō)名嬰幼兒(ér)接收治療。三聚氰胺，是(shì)一(yī)種用(yòng)于制(zhì)造≤塑料的(de)有(yǒu)機(jī)成分(fēn)，高(gāo)濃度時(shí)是(shì)有(yǒu≠)毒的(de)。今年(nián)4月(yuè)份，印度尼西(xī)亞有(yǒu)超過百人(rén)死于飲用(yòng)受到(​dào)一(yī)定程度甲醇污染的(de)酒。甲醇，在加水(shuǐ)稀釋後與酒精的(de)氣味相(xiàng)近(jìn)，且售價遠(yuǎn)低(dī)于食用(yòβng)酒精，在全球的(de)黑(hēi)市(shì)上(shàng)銷售。嚴格地(dì)講，甲醇兌的(de§)産品純屬毒液。

　　然而，創新技(jì)術(shù)可(kě)以幫助我們檢測食品是(shì)否發生(shēng)腐敗變質或者受到(dào)污染。λ筆(bǐ)者曾經介紹過這(zhè)方面的(de)科(kē)研案例，例如(rú)：

　　1)加拿(ná)大(dà)麥克馬斯特大(dà)學研究人(rén)員(yuán)開(kāi)發出一¶(yī)種透明(míng)測試貼片，上(shàng)面印刷有(yǒu)無害分(fēn)子(zǐ)，能(néng)在食品受到(dào)污染時(shí)發出信号。這(zhè☆)種貼片可(kě)直接集成到(dào)食品包裝中，檢測有(yǒu)害的(de)緻病菌例如(rú)：大(dà)腸杆菌和(hé)沙門(mé"n)氏菌。

(圖片來(lái)源：麥克馬斯特大(dà)學)

　　2)美(měi)國(guó)克拉克森(sēn)大(dà)學的(de)科(kē)學家(jiā)們開(kāi)發出一(yī)✔種低(dī)成本、便攜式紙(zhǐ)基傳感器(qì)，不(bù)僅能(néng)檢測食品是(shì)否腐敗變質或者受到(dào)污染，也(yě)能(néng)檢測化(huà)妝品內(nèi®)是(shì)否含有(yǒu)有(yǒu)害物(wù)質，還(hái)可(kě)以鑒别偏遠(yuǎn)山(shān)林(lín)裡(lǐ)的(de)新型藥用(yòng)植物α(wù)，甚至可(kě)以鑒定茶和(hé)酒。

(圖片來(lái)源：Silvana Andreescu)

　　3)美(měi)國(guó)加州大(dà)學伯克利分(fēn)校(xiào)以及台灣交通(tōng)大(dà)學的(de)研究人(rén&)員(yuán)設計(jì)出一(yī)種低(dī)功耗的(de)傳感器(qì)，它能(néng)夠無線地(dì)檢測牛奶新鮮程度。

(圖片來(lái)源：加州大(dà)學伯克利分(fēn)校(xiào))

　　創新

　　今天，讓我們再看(kàn)一(yī)項應用(yòng)于食品安全方面的(de)創新技(jì)術(shù)。近(jìn)日(rì)，美(měi)國(guó)麻省理(lǐ>)工(gōng)學院(MIT)媒體(tǐ)實驗室(Media Lab)的(de)研究人(rén)員(yuán)們開(kāi)發出一(yī)種無線系統，采用(yòng)在數(s∞hù)以億計(jì)産品上(shàng)廣泛使用(yòng)的(de)廉價 RFID 标簽來(lái)檢測食品污染，而且無需任何硬件(jiàn)修γ改。研究人(rén)員(yuán)希望通(tōng)過這(zhè)種簡單、可(kě)拓展的(de)系統，向大(dà)衆普及食品安全檢測。

(圖片來(lái)源：MIT)

　　描述這(zhè)一(yī)系統論文(wén)已成為(wèi)國(guó)際計(jì)算(suàn)機(jī)學會(huì)研討(tǎo)會(huì)的(de)網絡熱(rè)門(mén)話∏(huà)題。論文(wén)合著者包括：媒體(tǐ)實驗室助理(lǐ)教授 Fadel Adib、第一(yī)作(zuò)者博士後 Unsoo Ha、博士後 Yunfei Ma、訪問(wèαn)研究員(yuán) Zexuan Zhong、電(diàn)氣與計(jì)算(suàn)機(jī)科(kē)學系研究生(shēng) Tzu-Ming Hsu。

　　技(jì)術(shù)

　　研究人(rén)員(yuán)開(kāi)發的(de)系統稱為(wèi)“RFIQ”，內(nèi)含一(yī)個(gè)閱讀(dú)器(qì)✘。當 RFID 标簽發出無線信号與食品進行(xíng)交互時(shí)，感知(zhī)信号每分(fēn)鐘(zhōng)的(de)變化(huà)。他(tā)們在這(zhè)項研究中 主要(yào)關注了(le)嬰幼兒(ér)配方奶粉與酒。

　　這(zhè)項技(jì)術(shù)是(shì)基于：RFID标簽發出的(de)信号會(huì)根據産品中特定£污染物(wù)的(de)水(shuǐ)平而産生(shēng)特定的(de)變化(huà)。機(jī)器(qì)學習(xí)模型“學習(xí)”這(zhè)些(xiē)相(xiàng)σ關性，如(rú)果有(yǒu)一(yī)種新材料，它就(jiù)可(kě)以預測材料是(shì)純淨的(de)還(hái)‍是(shì)受污染的(de)，以及受污染的(de)程度。在實驗中，系統檢測含三聚氰胺的(de)嬰幼兒(ér)配方奶粉的(de)精準度達96%，檢測甲醇稀釋的(de)酒精的(de)精準度達ε97%。

　　對(duì)于檢測食品中的(de)化(huà)學物(wù)質或者腐敗來(lái)說(shuō)，目前已經開(kāi)發出一(yī)些(xiē)其他(tā)的(de)傳感器(qì)，®但(dàn)是(shì)那(nà)些(xiē)都(dōu)是(shì)高(gāo)度專業(yè)化(h×uà)的(de)系統，傳感器(qì)塗有(yǒu)化(huà)學物(wù)質，并被訓練去(qù)檢測特定的δ(de)污染物(wù)。媒體(tǐ)實驗室的(de)研究人(rén)員(yuán)們的(de)目标是(shì)緻力于更廣泛的(de)感知(zhī)。Fadel Adλib 表示：“我們将這(zhè)種檢測完全轉移至計(jì)算(suàn)側，你(nǐ)将可(kě)采用(yòng)非常廉價的(de)傳感器(qì)檢測各種産品，例如(rú)酒和(hé₩)嬰兒(ér)配方奶粉。”

　　RFID 标簽是(shì)含有(yǒu)超高(gāo)頻(pín)微(wēi)型天線的(de)貼紙(zhǐ)。它們貼在食品和(hé)其他(tā)物(wù)品上(shàng)，每個(¥gè)标簽大(dà)約花(huā)費(fèi)三到(dào)五美(měi)分(fēn)。傳統意義上(shàng)說(shuō)，稱為(wèi)“閱讀(dú)器(αqì)”的(de)無線設備用(yòng)于感知(zhī)标簽，使标簽上(shàng)電(diàn)并發出一(yī)個(gè)獨特的(de)信号，其中包含©它所粘貼的(de)産品的(de)信息。

　　當 RFID 标簽上(shàng)電(diàn)時(shí)，它們發出的(de)小(xiǎo)型電(diàn)磁波會(huì)傳輸到(dào)容器(qì)內(nèi)的(de←)食品中，食品中的(de)離(lí)子(zǐ)及分(fēn)子(zǐ)使之産生(shēng)失真。這(zhè)個(gσè)過程也(yě)稱為(wèi)“弱耦合”。從(cóng)根本上(shàng)說(shuō)，如(rú)果材料的(de)特性發生(shēng)改變，信号的(✘de)特征也(yě)随之改變。

　　一(yī)個(gè)關于特征失真的(de)簡單例子(zǐ)，就(jiù)是(shì)裝有(yǒu)✔空(kōng)氣或者水(shuǐ)的(de)容器(qì)。如(rú)果容器(qì)是(shì)空(kōng)的(de)，那(nà)麽 RFID 将總是(shì)響應950兆赫的(de)電γ(diàn)磁波。如(rú)果容器(qì)裝有(yǒu)水(shuǐ)，那(nà)麽水(shuǐ)會(huì)吸收γ一(yī)些(xiē)頻(pín)率，并且它主要(yào)的(de)響應是(shì)720兆赫左右。特征失真對(duì)于不≠(bù)同材料和(hé)不(bù)同污染物(wù)的(de)檢測是(shì)更加細粒度的(de)。Ha 表示：“此類信息可(kě)用(yòng)于分(fēn)類材料，在摻雜(zá)與↓純淨的(de)材料之間(jiān)顯示出不(bù)同的(de)特征。”

　　在研究人(rén)員(yuán)的(de)系統中，閱讀(dú)器(qì)激發出的(de)無線信号為(wèi)食物(wù)容器(qì)中的(de) RFID 标簽上(shà∑ng)電(diàn)。電(diàn)磁波穿透容器(qì)內(nèi)部的(de)材料，并且給閱讀(dú)器( qì)返回失真的(de)幅度(信号強度)與相(xiàng)位(角度)。

　　當閱讀(dú)器(qì)提取信号特征時(shí)，它将這(zhè)些(xiē)數(shù)據發送至一(yī)台獨立電(diàn)腦(nǎo)上(shàng)的(de)機(j≥ī)器(qì)學習(xí)模型。在訓練中，研究人(rén)員(yuán)告知(zhī)模型，純淨或摻雜(zá)的(de)材料會(huì)有(yǒu)什(shén)麽樣相(xiàng)應的(de)特征♥變化(huà)。這(zhè)項研究中，他(tā)們采用(yòng)純淨的(de)酒和(hé)含有(yǒu)25%、50%、75%、100%甲醇的(de)酒;φ他(tā)們采用(yòng)的(de)嬰兒(ér)配方奶粉摻有(yǒu)不(bù)同程度的(de)三聚氰胺，從(cóng)0到(dào♠)30%。

　　Adib 表示：“那(nà)麽，模型将自(zì)動學習(xí)哪個(gè)頻(pín)率最會(huì)受到(dào)這(zhè)種百分(fēn)比水(shuǐ)平的☆(de)污染的(de)影(yǐng)響。當我們獲取到(dào)新樣本後，例如(rú)，20%的(de)甲醇，模型會(huì)提取【特征】并×為(wèi)它們稱重，并告訴你(nǐ)們，‘我認為(wèi)這(zhè)是(shì)20%的(de)甲醇的(de)可(kě)能(néng)性很(hěn)高(₹gāo)。’”

　　系統的(de)設計(jì)理(lǐ)念源自(zì)一(yī)種稱為(wèi)“射頻(pín)頻(pín)譜學”的(de)技(©jì)術(shù)，它用(yòng)寬頻(pín)電(diàn)磁波刺激材料，并測量各種形式的(de)交互，從(cóng)而判斷材料的(de)組成。

　　但(dàn)是(shì)，将這(zhè)項技(jì)術(shù)用(yòng)于系統存在一(yī)個(gè)主要(yào)挑戰：RFID标簽隻能(néng)在950兆赫左右的(de)非常窄的(d↓e)帶寬內(nèi)上(shàng)電(diàn)。在這(zhè)樣受限的(de)帶寬中提取的(de)'信号無法采集到(dào)任何有(yǒu)用(yòng)信息。

　　研究人(rén)員(yuán)們早期開(kāi)發了(le)一(yī)項稱為(wèi)“雙頻(pín)激發”的(de)技(j‍ì)術(shù)，他(tā)們的(de)新技(jì)術(shù)是(shì)在這(zhè)個(gè)上(shàng)面構建起來(lái)的(de)。“雙 頻(pín)激發”技(jì)術(shù)發送兩個(gè)頻(pín)率來(lái)測量數(shù)百個(gè)頻(pín)率₽，一(yī)個(gè)頻(pín)率用(yòng)于激活，一(yī)個(gè)頻(pín)率用(yòng)于感知(zhī)。閱讀(dú)器(qì)發送一(yī)個(gè)位于95★0兆赫左右的(de)信号為(wèi)RFID标簽上(shàng)電(diàn)。當标簽激活時(shí)，閱讀(dú)器(qì)再發送另外(wài)一(★yī)個(gè)頻(pín)率掃過約從(cóng)400兆赫至800兆赫的(de)頻(pín)率範圍。它檢測到(dào)所有(₹yǒu)這(zhè)些(xiē)頻(pín)率帶來(lái)的(de)特征變化(huà)，并将它們反饋至閱讀(d≤ú)器(qì)。

　　Adib 表示：“這(zhè)種響應方式，就(jiù)像我們将廉價的(de) RFID 轉化(huà)為(wèi)成微(wēi)型射頻(p§ín)攝譜儀。”

　　由于容器(qì)的(de)形狀和(hé)其他(tā)環境因素會(huì)影(yǐng)響信号，研究人(rén)★員(yuán)目前正緻力于保證系統能(néng)夠考慮到(dào)這(zhè)些(xiē)變量。他(tā)們也(yě)在想辦法拓展系統的(‍de)容量，去(qù)檢測許多(duō)不(bù)同的(de)材料中的(de)許多(duō)不(bù)同的(de)污染物(wù)。

　　Adib 表示：“我們想要(yào)适應任何環境。這(zhè)就(jiù)需要(yào)我們變得(de)非常健壯，因為(wèi)你(nǐ)想要(yào)學習(xí)提取正确的(de)信号，消除環£境對(duì)于材料內(nèi)部的(de)影(yǐng)響。”

　　價值

　　Fadel Adib 表示：“近(jìn)年(nián)來(lái)，如(rú)果我們擁有(yǒu&)自(zì)己的(de)工(gōng)具去(qù)具有(yǒu)感知(zhī)食品質量與安全，那(nà)麽許多(duδō)與食品以及飲品相(xiàng)關的(de)危險都(dōu)能(néng)避免。我們想要(yào)實現(xiàn)食品質量與安全的(de)民(mín)主化(h©uà)，并使得(de)每個(gè)人(rén)都(dōu)能(néng)擁有(yǒu)它。”

　　未來(lái)，消費(fèi)者們将擁有(yǒu)他(tā)們自(zì)己的(de)閱讀(dú)器(qì)與軟件(jiàn)✘，在購(gòu)買任何商品之前，都(dōu)可(kě)以進行(xíng)食品安全感知(zhī)。研究人(rén)員(yuán)稱，系統也(yě)将在超市(shì)庫房(fáng)或₽者智能(néng)冰箱中實現(xiàn)，持續地(dì)感知(zhī) RFID 标簽，自(zì)動檢測食物(wù)變質。