美國麻省理工學院媒體實驗室的研究人員們開發出一種無線系統，采用在數以億計產品上廣泛使用的廉價RFID標簽來檢測食品污染，而且無需任何硬件修改。他們希望通過這種簡單、可拓展的系統，向大眾普及食品安全檢測。

背景

食品安全問題，是食物中有毒、有害物質對人體健康產生影響的公共衛生問題。過去二十年來，食品安全事故幾乎每年都會照成疾病與死亡。因此，食品安全問題屢次成為全球的頭條新聞。

舉例來說，2008年，由于食用摻有三聚氰胺的嬰幼兒配方奶粉，中國有5萬多名嬰幼兒接收治療。三聚氰胺，是一種用于制造塑料的有機成分，高濃度時是有毒的。今年4月份，印度尼西亞有超過百人死于飲用受到一定程度甲醇污染的酒。甲醇，在加水稀釋后與酒精的氣味相近，且售價遠低于食用酒精，在全球的黑市上銷售。嚴格地講，甲醇兌的產品純屬毒液。

然而，創新技術可以幫助我們檢測食品是否發生腐敗變質或者受到污染。筆者曾經介紹過這方面的科研案例，例如：

1）加拿大麥克馬斯特大學研究人員開發出一種透明測試貼片，上面印刷有無害分子，能在食品受到污染時發出信號。這種貼片可直接集成到食品包裝中，檢測有害的致病菌例如：大腸桿菌和沙門氏菌。

2）美國克拉克森大學的科學家們開發出一種低成本、便攜式紙基傳感器，不僅能檢測食品是否腐敗變質或者受到污染，也能檢測化妝品內是否含有有害物質，還可以鑒別偏遠山林里的新型藥用植物，甚至可以鑒定茶和酒。

3）美國加州大學伯克利分校以及***交通大學的研究人員設計出一種低功耗的傳感器，它能夠無線地檢測牛奶新鮮程度。

創新

今天，讓我們再看一項應用于食品安全方面的創新技術。近日，美國麻省理工學院（MIT）媒體實驗室（MediaLab）的研究人員們開發出一種無線系統，采用在數以億計產品上廣泛使用的廉價RFID標簽來檢測食品污染，而且無需任何硬件修改。研究人員希望通過這種簡單、可拓展的系統，向大眾普及食品安全檢測。

（圖片來源：MIT）

描述這一系統論文已成為國際計算機學會研討會的網絡熱門話題。論文合著者包括：媒體實驗室助理教授FadelAdib、第一作者博士后UnsooHa、博士后YunfeiMa、訪問研究員ZexuanZhong、電氣與計算機科學系研究生Tzu-MingHsu。

技術

研究人員開發的系統稱為“RFIQ”，內含一個閱讀器。當RFID標簽發出無線信號與食品進行交互時，感知信號每分鐘的變化。他們在這項研究中主要關注了嬰幼兒配方奶粉與酒。

這項技術是基于：RFID標簽發出的信號會根據產品中特定污染物的水平而產生特定的變化。機器學習模型“學習”這些相關性，如果有一種新材料，它就可以預測材料是純凈的還是受污染的，以及受污染的程度。在實驗中，系統檢測含三聚氰胺的嬰幼兒配方奶粉的精準度達96%，檢測甲醇稀釋的酒精的精準度達97%。

對于檢測食品中的化學物質或者腐敗來說，目前已經開發出一些其他的傳感器，但是那些都是高度專業化的系統，傳感器涂有化學物質，并被訓練去檢測特定的污染物。媒體實驗室的研究人員們的目標是致力于更廣泛的感知。FadelAdib表示：“我們將這種檢測完全轉移至計算側，你將可采用非常廉價的傳感器檢測各種產品，例如酒和嬰兒配方奶粉。”

RFID標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，每個標簽大約花費三到五美分。傳統意義上說，稱為“閱讀器”的無線設備用于感知標簽，使標簽上電并發出一個獨特的信號，其中包含它所粘貼的產品的信息。

當RFID標簽上電時，它們發出的小型電磁波會傳輸到容器內的食品中，食品中的離子及分子使之產生失真。這個過程也稱為“弱耦合”。從根本上說，如果材料的特性發生改變，信號的特征也隨之改變。

一個關于特征失真的簡單例子，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950兆赫的電磁波。如果容器裝有水，那么水會吸收一些頻率，并且它主要的響應是720兆赫左右。特征失真對于不同材料和不同污染物的檢測是更加細粒度的。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。”

在研究人員的系統中，閱讀器激發出的無線信號為食物容器中的RFID標簽上電。電磁波穿透容器內部的材料，并且給閱讀器返回失真的幅度（信號強度）與相位（角度）。

當閱讀器提取信號特征時，它將這些數據發送至一臺獨立電腦上的機器學習模型。在訓練中，研究人員告知模型，純凈或摻雜的材料會有什么樣相應的特征變化。這項研究中，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，模型將自動學習哪個頻率最會受到這種百分比水平的污染的影響。當我們獲取到新樣本后，例如，20%的甲醇，模型會提取【特征】并為它們稱重，并告訴你們，‘我認為這是20%的甲醇的可能性很高。’”

系統的設計理念源自一種稱為“射頻頻譜學”的技術，它用寬頻電磁波刺激材料，并測量各種形式的交互，從而判斷材料的組成。

但是，將這項技術用于系統存在一個主要挑戰：RFID標簽只能在950兆赫左右的非常窄的帶寬內上電。在這樣受限的帶寬中提取的信號無法采集到任何有用信息。

研究人員們早期開發了一項稱為“雙頻激發”的技術，他們的新技術是在這個上面構建起來的。“雙頻激發”技術發送兩個頻率來測量數百個頻率，一個頻率用于激活，一個頻率用于感知。閱讀器發送一個位于950兆赫左右的信號為RFID標簽上電。當標簽激活時，閱讀器再發送另外一個頻率掃過約從400兆赫至800兆赫的頻率范圍。它檢測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：“這種響應方式，就像我們將廉價的RFID轉化為成微型射頻攝譜儀。”

由于容器的形狀和其他環境因素會影響信號，研究人員目前正致力于保證系統能夠考慮到這些變量。他們也在想辦法拓展系統的容量，去檢測許多不同的材料中的許多不同的污染物。

Adib表示：“我們想要適應任何環境。這就需要我們變得非常健壯，因為你想要學習提取正確的信號，消除環境對于材料內部的影響。”

價值

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量與安全，那么許多與食品以及飲品相關的危險都能避免。我們想要實現食品質量與安全的民主化，并使得每個人都能擁有它。”

未來，消費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，都可以進行食品安全感知。研究人員稱，系統也將在超市庫房或者智能冰箱中實現，持續地感知RFID標簽，自動檢測食物變質。

來源： IntelligentThings