“In five years,

computers will have a sense of smell .”

Dr. Hendrik Hamann, Research Manager Physical Analytics, IBM (2012)

2021年末的冬日早晨,由清華大學氣味科技茶產銷聯盟主辦的【電子鼻氣味科技產業應用研討會】,邀請清華大學鄭桂忠教授農科院陳柏安研究員,以深入淺出的方式講解電子鼻的運作,以及氣味科技在茶產業的使用情境。

本次研討會邀請到工研院前院長史欽泰先生、農業科技研究院陳建斌院長、聯盟計畫主持人王俊程教授、聯盟計畫共同主持人江明錦助理教授、茶葉改良場蘇宗振場長、工研院特聘專家羅達賢先生、台灣大學園藝暨景觀學系林書妍教授、世創生物科技邱仕文執行長等專家與會,現場有八十多位者貴賓蒞臨聽講。

我們將當天講者的分享整理成上下兩篇,提供讀者細細回顧精彩內容。

與會嘉賓全體大合照

▌嗅覺是怎麼一回事?

2006年,清華大學成立電子鼻研發團隊,持續發展高靈敏的氣味偵測智慧晶片。電機系鄭桂忠教授長期致力於微型電子鼻偵測、仿生人工智慧晶片、生醫晶片等領域,如何在精進技術後並在不同的場域實踐應用,是他特別投入且關心的事情。

IBM在2012年「5 in 5」的科技預測報告中,提出未來五年電腦將具備人類的五感辨識力,涵蓋觸覺、視覺、聽覺、味覺和嗅覺等方面,也就是說,人類的五感都可以被做在各種行動設備、以及你我的手機。目前所使用的電子產品,在視覺、聽覺、觸覺都有豐碩的成果,不過在嗅覺與味覺的識別仍有相當的挑戰需面對。

IBM 當年提出關於嗅覺科技的預測內容

鄭教授分享道,以仿生人類的鼻子來發展氣味科技感測器,首先必須了解嗅覺如何產生。當氣體進入鼻子後進入嗅覺上鼻,這裡有400-1000種的嗅覺細胞(可以想像成有許多顆感測器),不同的氣味分子會讓不同的嗅覺細胞產生反應,再經由嗅神經傳遞至大腦的嗅覺皮質,判定聞到什麼樣的味道。有趣的是,我們的鼻子並不是靠一種感測器去聞一種氣味,而是大腦將所有的感測器及其反應進行綜合判斷,因此雖然只有幾百種感測器,人類卻可以聞到約一萬種的味道。

延伸觀看:TED Talk: How do we smell?

▌電子鼻:模仿人類的嗅覺

市面上賣的感測器和人類的嗅覺細胞有一點相像:選擇性很差而容易出現「誤判」的情形,當某一種感測器對A氣體有反應,但也會對B氣體、C氣體產生反應,然而聞到的不盡然是同一種氣體。不同的氣味分子可能會觸發同一個感測器,而同一種感測器又可能會被好幾種味道觸發。

我們可以想像,電子鼻就是在學習人類的嗅覺系統,內建許多感測器晶片,透過寫入演算法,來看「這一群」感測器所辨識的每一道氣味分子訊息,並且運用AI神經網絡,讓機器像人一樣進行綜合判斷。

鄭桂忠老師當日分享大綱

為了改善誤判情形獲得更精準的味道判定,鄭桂忠教授花費大量心力研發與突破電子鼻生物感測技術,著重在三大研究方向:

(1) 如何確定有聞到氣味?(要聞得到味道)

(2) 如何處理氣味分子轉變成訊號?

(3) 當處理訊號後,會採取什麼動作?(演算法)

▌跨域合作,開發最適用的感測材料

要讓感測器可以分析氣體分子,首先需將氣體轉變為電訊號,因此感測材料顯得非常重要!

團隊找到清大化學系楊家銘教授一起開發感測材料,運用高分子材料加入導電材料形成導電路徑,當氣體與材料會發生膨脹,有些導電路徑會因此斷掉產生電阻的信號,透過測量方法獲得電訊號,訊號離開後再讓材料恢復原本的狀態。

這款材料除了可以微型化,由於表面積大可以吸附非常多的氣體分子,因此靈敏度很高。電子鼻就是將這樣的材料塗覆在晶片上,提高收發信號的比率,偵測更微小的氣味。

目前運用在製茶產業的電子鼻,是由清大奈米工程與微系統研究所饒達仁教授實驗室,運用表面聲波原理發展出高靈敏度的電子鼻感測系統,將感測材料放在會振盪在某種頻率的零件上,當材料吸收氣體時,重量變重、頻率變慢,透過偵測頻率的改變,達到更靈敏的偵測。

世創生物科技開發製茶與品茶所用的電子鼻

晶片吸收了非常多的氣體、讀了很多資料,但也不是全部的訊號都能發揮作用,透過機器學習、AI演算法仿生學習,從這些資料標記哪些氣體特徵是重要的、如何隨著環境溫溼度獲得準確的辨識、分類氣味信號種類、將氣味資訊視覺化等等。

▌從飲食、醫病到掃毒大隊

隨著氣味的應用越來越廣泛,電子鼻的訊號處理工作更是需要配合需求,不斷試驗研究出最理想的效能。鄭桂忠教授分享這些年間電子鼻所應用的場域,像是:海鮮是否腐敗、酒類是否參雜假酒、檢測咖啡豆的新鮮度、協助果農判斷水果的成熟路徑等情境。

電子鼻應用於辨別假酒

電子鼻在醫學上也有所助益!近年肺炎入榜國人十大死因,在加護病房插管的病人更是容易感染呼吸性肺炎,併發敗血症、休克而死亡。過去醫院在診斷過程會先照X光確定是否有積水,接著抽痰培養以評估是哪一種細菌引起的(大約有十幾種細菌),醫生再按其經驗提供相對應的抗生素投藥。藉由電子鼻的輔助,加速診療過程的進行,由於細菌在體內代謝會影響患者呼出不同味道的氣體,讓醫師更能精準地對症下藥。

延伸閱讀:人工智慧電子鼻吹氣就能測肺癌

同樣在慢性阻塞性肺病 (COPD)的病症,這是一種吸不到氧氣且病變是不可逆反應的綜合性疾病,過去患者常常在感受到非常不舒服才會就醫檢查,以致延誤醫療契機,透過電子鼻協助醫師判斷病人是普通氣喘還是COPD,也能及早檢驗出是否有此症狀。

延伸閱讀:手持式電子鼻系統早期偵測慢性阻塞性肺病的病患

除了食品、醫療的領域,電子鼻也加入國家掃毒隊的行列,與警大合作開發快速偵測K他命、K菸的系統,檢測捲菸裡含有多少濃度和混合的比例。

電子鼻應用於檢測肺炎

▌我們只是研發技術的人,需要大家共創發想可能的應用

2017年,清大電子鼻團隊由邱仕文博士承襲超過十年的前瞻技術研發能量,率領成立世創生物科技的新創團隊,期待運用仿生嗅覺技術,持續為社會中不同領域的難題找到合適的解方,並朝著產品量產的目標前進!

【延伸觀看:世創生物科技專訪】


下篇預告:

農科院陳柏安博士解析茶葉與氣味的關係,

電子鼻應用在茶產業,輔助製茶、銷售、傳承文化!


本次【電子鼻氣味科技產業應用研討會】12/16(四)清華大學名人堂舉行,由清華大學氣味科技茶產銷聯盟主辦,農業科技研究院預見科技桃花源、世創生物科技協辦,感謝110年科技部計畫補助「以服務科學導入氣味科技- 茶產業行銷與技術革新聯盟」之計畫。

#欲了解聯盟詳情,資訊請洽:peijungli@gapp.nthu.edu.tw,李小姐