現代科技不斷革新,朝著智慧化的方向努力,為人類生活帶來了無限的可能,如環境感測技術的日新月異,讓人類嗅覺感知能夠被數位化呈現,或是系統化地測量與分析難以捉模的環境變因,在實務應用上還有非常多未開發的藍海。

三月初的【氣味科技電子鼻應用產業與非侵入式物質感測系統及電路交流論壇】, 邀請世創生物科技邱仕文執行長吳尚育資深工程師農業科技研究院陳柏安博士台灣科技大學電機工程系彭盛裕教授,分享各自的技術研究與交流實務應用的議題。

傳送門:論壇手冊

第❶講:電子鼻氣味科技應用

十年磨一劍,邱仕文執行長在學生時期便投入清大鄭桂忠教授的電子鼻研究團隊,他鉅細靡遺地分享超過十年仿生嗅覺研究的演進歷程,並率領實驗室移轉到產業界,在2017年創立世創生物科技,近年慢慢嶄露頭角,在國家新創獎、亞太資通訊科技聯盟大賽(APICTA Awards)都受到注目與獲獎。

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世創生物科技邱仕文執行長

▌電腦到底如何學習「聞」味道

邱執行長分享道,人類嗅覺使用的情境其實很廣泛,比方說平常呼吸的氣體中,藏著與健康息息相關的資訊,但由於氣味捉模不定的特性,使得氣味檢測與科技結合的實務案例並不多。雖然常見的氣體感測設備「氣相層析儀」可以很精細地將每一種氣味拆解與了解組成,但是機體龐大又昂貴,較難以適用於實驗室以外的情境;而傳統單點式的感測器,可能會面對不同氣體都會產生反應,遇到複雜的情況或場景就容易造成誤判。

我們以「嗅覺」的觀點來做這些議題,

使用多重的感測器,

利用其不同選擇性的差異,

形成氣味指紋圖譜。

面對氣體選擇性的問題,世創以雙層塗覆的方式,在基底先塗一層導電的材質,第二層是有選擇性的塗膜,透過材料突破晶片的靈敏度。當材料接觸到氣體時,造成形變產生電阻變化(也就是感測器所感測的訊號)並因著膨脹係數的差異,形成不同的反應圖譜;而當感測器偵測氣體,如何擷取有效的訊號、如何辨識、或是在干擾環境下如何進行等,仰賴強大的演算法。

世創採用台積電0.18微米低耗電製程技術,把電路和演算法導入晶片,當有不同應用的時候,只要替換感測晶片上的塗覆材料與演算法,便可以形成另一套系統,其他元件都盡可能地共用。

▌氣體智能辨識、電子鼻微型化、雲端資訊整合

致力將嗅覺感知轉化成數位語言,並朝著更高整合度的方向努力。例如:把晶片放在病人常規的儀器上,透過患者的呼吸氣體了解身體狀況、是否有感染肺炎等情形,即時監測的效率也省去等待報告的時間;另外也有體重管理的應用,現代生活中糖尿病已經成為一種文明病,大多數患者都有肥胖與過重的問題,近年來觀念提倡採用生酮飲食法減重,卻可能因為酮體過高而造成身體危害,除了透過偵測尿液與血液外,也可以透過量測呼吸中的丙酮氣體來了解判斷狀況。

邱執行長提到,團隊專注在技術的開發,然而落實在應用面非常需要跨領域的合作,因此建置SEXTANT感測平台,從資料擷取、資料轉換到資料分析皆已寫入完善的功能,提供想使用嗅覺技術的使用者評估電子鼻是否適合導入情境,期待未來有更多嗅覺感測新穎性的研究與應用。

世創生物科技吳尚育資深工程師,DEMO SEXTANT感測平台的操作

第❷講:氣味科技在茶產業的應用

農業科技研究院植物科技研究所的陳柏安博士,長年耕耘試圖解決茶產業面臨的難題,思索如何導入科技協助製茶工藝與生產管理,輔助製茶師的經驗傳承,穩定每一次做茶的品質。

陳博士展開傳統製茶繁瑣的每一道工序,當摘採下茶葉的那一刻,便要抓緊時機進行後續的處置。由於茶葉製程借重製茶師傅的經驗,需根據當天的氣候、氣溫、空氣中的溼度來判斷時間的長短,經常通宵熬夜地關注茶菁的氣味變化,花費非常大量的心力與精神;也因著仰賴個人感官的判斷,每一次做出來的茶葉風味都可能稍有差異。

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▌製茶真的跟氣味有關係嗎?

首先要知道,

氣味對於我們的目標是不是重要的事情。

因緣際會下,陳博士認識到清大電子鼻研究團隊,電子鼻快速精準監測氣味變化的特性,似乎可以為茶產業的技藝傳承和品質管理提出合適的解方;但是身為研究者的嚴謹,即使茶產業工作者都說氣味在製茶過程中扮演重要的角色,若要運用氣味科技的話,仍必須透過科學的角度釐清氣味變化對於製茶歷程的關鍵與脈絡。

陳博士侃侃解讀茶葉的氣味奧秘-兒茶素。兒茶素存在於植物的液胞,作為一種防禦系統來抵抗惡劣的環境,當葉片被昆蟲啃咬會引起其不適(如同人喝太多茶肚子會不舒服)。兒茶素的氧化反應會使其形成茶黃質與茶紅質,影響茶湯的顏色;而茶葉的苦味和澀味分別來自咖啡因和兒茶素與唾液蛋白的結合。也就是說,操控兒茶素的氧化還原反應,可以控制茶葉在顏色和風味的表現,從氣味的多寡反推理兒茶素氧化的程度,可以知道茶葉當下的狀態。

農業科技研究院植物科技研究所陳柏安博士

▌科技成為技藝傳承的小幫手

在確認氣味與茶葉的關係後,陳博士與台大園藝系合作,並找到清大電子鼻團隊投入氣味科技系統導入茶葉製程的應用,開發完成「影子製茶師」系統,即時地精準描繪製茶歷程的茶菁氣味變化,運用AI運算模擬茶人掌握茶葉製造的法則,達到判定茶葉製程步驟的目標,希冀藉由此系統,輔助製茶者刻畫茶葉製造的氣味旅程與獨門技藝,並落實以科技降低勞力負擔、提升茶葉品質穩定度的目標,未來也將持續朝著自動化的目標發展,降低一杯風味好茶背後付出的煎熬。

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第❸講:非侵入式物質感測系統及電路

近年積體電路領域的快速發展,實現感測系統在低功耗、即時性、可攜式的特性,不再像傳統使用昂貴笨重的儀器設備,甚至逐漸朝著整合運用於一般之消費性電子產品中,與日常生活結合。任職於臺灣科技大學電機工程系的彭盛裕教授,因看見嚴重的食物浪費問題,產生以非侵入、非接觸式方式設計物質感測系統的概念,分享透過檢測振盪訊號的頻率與振幅,分辨不同物質之介電係數進行感測。

▌為了地球永續的起心動念

根據聯合國環境署(UN Environment Programme, UNEP)於2021年3月發表的糧食浪費指數報告,全球每年浪費近10億噸食物,相當於一頭大象,光是家庭食物浪費就高達每人每年74公斤,餐廳和商店食物浪費的資料,佔總食物浪費量的17%,再加上農場和供應鏈中發生的食物浪費,總計有1/3的糧食產出從未被食用。(資料來源:環境資訊中心)

延伸閱讀:全球食物浪費翻倍,聯合國報告:每年被丟棄糧食逼近10億噸

民眾普遍對保存期限的認知不足,認為只要過期就代表壞了不能吃,又或是誤解食品標示「有效期限」與「最佳賞味期限」兩者的辨別,造成食物尚未過期但提早被丟棄的可能,如果可以在不拆開包裝之下就能夠知道食物新鮮與否的話,或許就不會造成大量浪費。

▌結合AI分析,預測食物腐敗

彭教授分享以此感測電路系統設計來量測酒類和生肉,訊號頻率的差異可以判斷酒的種類,也能辨別不同脂肪比例的肥瘦肉,並從空氣與水的介電係數差異,應用於評估肉質的新鮮度。由於肉品放久了,組織中的水會逐漸滲出,在包裝密封的情況下,包材上的水分越來越多,表示新鮮程度下降,透過量測肉品的介電係數變化便能知道食物是否還能食用,甚至預測其腐敗程度,以及還能放置多久時間。

在QA互動的環節,有人詢問到肉品鮮度計成本和產品化的問題,彭教授期待能像市面測試膚質含水量的儀器,人手都很輕易地擁有一支;不過也期待從服務和產業的角度,藉由非侵入式感測系統技術的場域應用,建立雲端資料庫提供創新的服務。

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台科大電機工程系彭盛裕教授

▌科技X「? 」的跨域對話

我們還沒把人送上太空,

更不用問說我們能不能把人送上月球了。

農科院陳柏安博士在分享中引用了電影《關鍵少數》這段台詞,同樣呼應著正在嘗試以科技落實於社會需求的實踐者們,總要有人踏出那一步,超越框架、勇於激盪,即使前方會遇上重重困難與考驗,如果一直採保守的心態面對,人類無法進步,社會也會停滯不前。

如果本次論壇激起你對電子鼻氣味科技、非侵入式感測技術在跨領域共創的興趣,或是你有其他需求想要探詢科技解方,邀請你加入桃花源的行列,一起讓社會變得更多采多姿吧!

#探詢需求與科技,請洽預見科技桃花源:techthy.service@gmail.com


本次【氣味科技電子鼻應用產業與非侵入式物質感測系統及電路交流論壇】3/4(五)於新竹和選旅THE HO HOTEL舉行,由智慧環境晶片系統與應用聯盟氣味科技茶產銷聯盟主辦,預見科技桃花源世創生物科技協辦,感謝教育部資訊及科技教育司指導。

文案撰寫:吳映嫺
審稿編輯:楊欣恩

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