科学家研发仿生“电子鼻”30秒识别食物新鲜度内嵌CNN算法

新加坡南洋理工大学（NTU）的研究职员通过模拟哺乳动物的嗅觉系统，发明了人工“电子鼻”，可准确评估肉类的新鲜度。

实验数据显示，“电子鼻”检测准确率高达至 98.5%，而传统检测方法只有 61.7%。

该研究成果由 NTU 联合中国江南大学以及澳大利亚莫纳什大学共同完成，并于 10 月揭橥在科学杂志《前辈材料》上。

真正实现快速、准确、无损检测

食品中毒险些是大家都有过的经历。
由于食用了被污染的食品，患者每每会上吐下泻。
其致病机理是食品中的细菌或者病毒进入人体肠道后大量繁殖，导致肠道传染。
食品安全至关主要，个中关键的一环，便是担保食材的新鲜度，即准确对其新鲜度进行评估。

“准确” 不虞味着严格，而是适中。
消费者由于疑惑存储在冰箱内的肉类变质而丢弃，会造成大量摧残浪费蹂躏；另一方面，在不知情的情形下食用变质食品则有害康健。
“人工鼻” 项目卖力人，NTU 材料科学和工程学院陈晓东教授对 DeepTech 先容了当前主流肉类检测方法的弊端。

目前，测定肉类采取的是挥发性盐基氮法。
在肉类永劫光放置过程中，由于酶和细菌的浸染，蛋白质、脂肪和糖类被分解、变质，一系列碱性含氮的有毒物质如酪胺、组胺、尸胺等胺类被开释出来。
通过检测这类物质的量，进而反推肉类的新鲜度。
该方法紧张的弊端在于，须要特定的仪器进行检测，其利用不便，检测繁芜。
这意味着只能由政府干系部门、干系职员，利用仪器在特定的环境和场合进行检测，效率低、可利用场景少，还存在测不准的问题。

为了战胜这些弊端，陈晓东等人基于哺乳动物嗅觉系统的事情事理，研发了 “电子鼻”。

首先，要理解哺乳动物嗅觉系统的事情事理。
对付哺乳动物来说，嗅觉系统起浸染要从鼻子吸入气体开始。
气体打仗到包含有多种嗅觉感想熏染器的嗅觉上皮细胞，这些嗅觉感想熏染器对很多范围的气体分子呈现亲和性，之后嗅觉神经将感想熏染器激活成电旗子暗记，传到给嗅球，再经由嗅球通报，直到大脑，终极识别气体并决定气体浓度。

总的来说，哺乳动物嗅觉系统运转可以分成两部分，一是感想熏染器打仗气体，此时形成的神经旗子暗记像是气味指纹（scent fingerprint），必须经由解读才能得到结果。
第二步则是旗子暗记通过神经通报给大脑，对气氛指纹做出解读。

用更加专业的词汇来说，模拟哺乳动物的嗅觉系统，须要复制两个功能：交叉反应传感和气味指纹模式识别。

这恰好也对应了 “电子鼻” 的两个组成部分：条形码和阅读器。
前者放置于肉类周围，条形码由于肉类中的不同浓度的挥发性气体而产生变色；后者是 “中枢神经系统”，用以解读变色的条码，给出新鲜度结果。

图｜哺乳动物嗅觉系统 VS. 人工嗅觉系统

这两个部分哪个更为关键？陈晓东坦言：“电子鼻识别肉类新鲜度之以是比传统方法准确度高，并不是由于我们检测了更多种类的气体，而是对变色条码的解读更精确。
” 这也就意味着，该电子鼻技能的核心，是一个精确解读变色条形码信息的一套算法。

“条形码” 由 20 种不同类型的的壳聚糖、染料和醋酸纤维组成的多空纳米复合股料构成。
当其置于待测肉类之上，条码中的卤素染料根据气体类型和浓度发生交叉反应，显示出彩色条形码（气味指纹）。

图｜“五彩斑斓” 的条形码形成的气味指纹

比如，在条形码上第一条带上，有一种叫溴百里酚蓝（BPB）的染料，当碰着微生物降解蛋白质产生的生物胺，其羟基基团分裂，可见色从黄色变成蓝色。
当暴露在不同浓度的气体中时，条码的每一条都会有不同颜色或颜色范围。

设计条形码与肉类挥发气体反应并不困难，困难的是面对千变万化的变色条码，该当如何解读。
设想人的嗅觉系统，当闻到肉类散发出的臭味，就能判断已经变质，如果味道弱一些，就能剖断不新鲜。
那 “电子鼻” 该当如何判断呢？

陈晓东等人利用机器学习方法演习条形码 “阅读器”，直到系统能准确根据条形码判断新鲜度为止。

首先，要演习系统，必须要给出一个标定后的准确结果。
他们利用国际标准，为肉类的新鲜程度分类：新鲜、不新鲜和变质。
每一种分类都会对应一组挥发性气体含量范围。

之后，研究职员将条形码粘在透明聚氯乙烯（PVC）肉类包装薄膜上，并朝向外侧，但是不打仗肉制品。
然后将该样品置于 25℃环境中，在不打开包装的情形下，利用智好手机拍摄条形码图像。
终极，他们得到了 4161 张肉类图像，并随机分成两组：一组有 3475 张，用来演习模型；另一组 686 张用来测试。

识别条形码的模型利用的是深度卷积神经网络算法（DCNN）。
电子鼻经由演习后，用 686 张图像测试，让系统判断该条形码对应的肉类属于新鲜、不新鲜或者变质，准确度高达 98.5%。

这种新型 “电子鼻”，在肉质新鲜度检测上，真正做到了便携、准确和无损。
陈晓东先容，在此之前，类似的电子鼻存在的问题每每是过于笨重，例如拖着长长的电源线。
或者是检测条件苛刻，某些电子鼻传感器在高温下才能事情。
而他们研发的新型电子鼻，只须要一张条形码，和一部智好手机即可。
操作职员拍下条形码，利用专门开拓的 APP 上传图片，接入云真个剖析系统，快速得到结果。

图｜利用手机 APP 可识别条形码

陈晓东表示，由于电子鼻足够便携，未来可以对肉类食品进行全链条监测。
正如之前所说，传统的挥发性盐基氮评估肉类新鲜度须要笨重的仪器，这就限定了它的利用。
而电子鼻可以用在屠宰场、包装、冷链运输、超市，乃至消费者可以自行购买在家检测。

须要特殊解释的是，条形码利用的材料是生物可降解的、无毒的，基于生物相容性和环保原则设计的。

运用远不止肉类检测

陈晓东对 DeepTech 说：“外界只关注到‘电子鼻’的观点，但真正要关注的是人工嗅觉系统。
” 这意味着，在理论上，统统用嗅觉可以完成的事情，“电子鼻” 都可以做到。

陈晓东举了个例子。
检测肉类新鲜度，本色上是检测胺类物质的含量。
同样的事理，如果评估食用油的新鲜度，那就须要检测酸类物质的含量。
由于油在变质过程中会酸化。
肉类和食用油，检测标的变了，但事理同等。
研究职员只要重新制作对付酸类物质敏感的条形码，按照同样的逻辑演习系统识别即可。

如果再将利用领域扩大，电子鼻具备用在公共安全和危险品检测的潜力。
很多化学危险品本身就有分外的气味，这也是警犬能够识别它们的缘故原由，如果能用电子鼻快速准确的识别该类物质，能够提高检测效率和安全性。

遍及仍需韶光

人工嗅觉系统利用前景广阔，但是研究起来并不随意马虎。
陈晓东说，利用电子鼻评估肉类新鲜度，看似大略，全体研究用了两年。
如果要做到准确评估食用油、乃至冷链运输检测、公共安全和危险品检测，还须要很长的韶光。
而在商业化上，当前也存在障碍。

首先，利用手机对条形码牌照，再上传剖析，存在偏差。
每个利用者的手机像素不同、拍摄环境不同、拍照水平不同，同一个条形码，不同人拍摄颜色出入较大，而识别系统正好依赖颜色做判断，这是不稳定成分之一。
陈晓东已经意识到这一点，在他看来，未来如果商业化，须要研发一个专门的手持设备来读取结果，仅仅依赖手机拍照是弗成的。

此外，对付大型超市而言，它们是不方向于用电子鼻监测肉类新鲜度，尤其是包装类产品，这是一个任务归属的问题。
肉类包装上已经注明的生产日期和保质期，消费者只须要按照规定食用即可，超市没有任务。
如果超市自己监测，并担保肉类新鲜，一旦涌现问题，任务就归到了超市一方。

但无论如何，消费者对肉制品乃至其他各种食品的安全性哀求是不断提升的，电子鼻的商业化也须要一步步推进。
陈晓东等人已经为其申请了专利，他们希望电子鼻未来能够在食品工业和公共安全中广泛运用，为消费者和食品供应链中的利益干系者供应一种便捷的检测方法，从而让公众建立对食品安全的信心。