开发无线系统 让消费者掌握食品安全检查

麻省理工学院媒体实验室的研究人员开发了一种无线系统，该系统使用数千亿种产品的廉价射频识别标签来检测潜在的食品污染，而无需修改硬件。通过一个简单且可扩展的系统，研究人员希望将食品安全检查带给公众。在过去的二十年里，食品安全事件几乎每年都成为导致疾病和死亡的全球头条新闻。例如，早在2008年，中国就有5万名婴儿因食用掺有三聚氰胺的婴儿配方奶粉而住院，三聚氰胺是一种用于制造塑料的有机化合物，具有高浓度毒性。今年4月，印尼就有100多人死于饮酒，其中有一部分甲醇是一种有毒酒精，通常用于稀释全球黑市上出售的葡萄酒。

研究人员的系统被称为RFIQ，它包括一个读取器，当信号与食物相互作用时，该读取器可以检测到来自RFID标签的无线信号的微小变化。在这项研究中，他们关注的是婴儿配方奶粉和酒精，但在未来，消费者可能会有自己的阅读器和软件，在购买几乎任何产品之前进行食品安全测试。研究人员表示，该系统还可以在超市或智能冰箱的后室实现，连续ping RFID标签，自动检测食物腐败。该技术依赖于这样一个事实，即来自射频识别标签的信号的一些变化对应于产品中一些污染物的水平。机器学习模型“学习”这些相关性，给定新材料，它可以预测材料是纯的还是污染的，以及它的浓度。实验中，该系统对含有三聚氰胺的婴幼儿配方奶粉的检测准确率为96%，对甲醇稀释酒精的检测准确率为97%。

“近年来，如果我们都有自己的工具来感知食品质量和安全，我们就可以避免许多与食品和饮料相关的危害，”助理教授、《媒体实验室》的合著者法德尔阿迪布说。在一篇描述这个系统的论文中，这篇论文正在ACM网络热点专题研讨会上发表。“我们想让食品质量和安全民主化，让每个人都能享受到。”本文共同作者包括：Unsoo Ha，博士后，第一作者；马云飞，博士后；钟泽轩，客座研究员；和电子工程和计算机科学研究生徐子明。

“弱耦合”的力量

还开发了用于检测食品中的化学物质或腐败的其他传感器。但这些是高度专业化的系统，其中传感器涂有化学物质，并经过训练来检测特定的污染物。媒体研究者的目标是更广泛的感知。阿迪布说：“我们已经将这种检测纯粹转移到了计算领域，你将在各种产品中使用同样非常便宜的传感器，比如酒精和婴儿配方奶粉。射频识别标签是一种带有微型超高频天线的标签。它们来自食物和其他物品，每件大约3到5美分。传统上，一种称为阅读器的无线设备会查验标签，标签会启动并发出一个独特的信号，其中包含标签所贴产品的信息。

研究人员的系统充分利用了这样一个事实，即当射频识别标签通电时，它们发出的小电磁波进入容器，并被容器内容物中的分子和离子扭曲。这个过程叫做“弱耦合”。基本上，如果材料的性质改变，信号性质也会改变。特征变形的一个简单例子是空气和水的容器。如果容器是空的，射频识别总是以大约950兆赫的速度响应。如果装满水，水会吸收一些频率，它的主要响应只有720 MHz左右。特征变形使用不同的材料和不同的污染物来获得更精细的粒度。“这些信息可以用来对材料进行分类.[和]表现出不纯物质和纯物质的不同特征，”哈说。

在研究人员的系统中，阅读器发出无线信号，为食品容器上的射频识别标签供电。电磁波穿透容器中的材料，并以失真的振幅(信号强度)和相位(角度)返回读取器。当阅读器提取信号特征时，它会将这些数据发送到独立计算机上的机器学习模型。在训练过程中，研究人员告诉模型哪些特征变化对应于纯物质或不纯物质。在这项研究中，他们使用纯酒精和含有25%、50%、75%和100%甲醇的酒精。婴儿配方奶粉中掺入了不同比例的三聚氰胺，从0%到30%不等。“然后，模型将自动知道在这个百分比水平上受这种杂质影响最大的频率，”阿迪布说。“一旦我们得到一个新的样本，比如20%的甲醇，模型就会提取(特征)并加权，然后告诉你，‘我认为这是含有20%甲醇的酒精。’"

放大频率

这一系统的概念源于一种被称为射频光谱的技术，它可以用宽频率的电磁波激发材料，并测量各种相互作用来确定材料的成分。然而，系统采用这种技术有一个主要挑战：射频识别标签仅在非常紧凑的带宽内振荡，其波动约为950兆赫。在有限的带宽内提取信号不会净化任何有用的信息。

研究人员基于他们早期开发的传感技术，称为双频激励，它发送两个频率——一个用于激活，一个用于传感——来测量数百个频率。读取器发送大约950兆赫的信号为射频识别标签供电。当它被激活时，阅读器发送另一个频率，并扫描大约400到800兆赫的频率范围。它检测所有这些频率的功能变化，并将其提供给读者。“鉴于这种反应，几乎就像我们改造了廉价的RFID。

为微型射频分光镜，”Adib说。由于容器的形状和其他环境因素会影响信号，研究人员目前正致力于确保系统能够解释这些变量。他们还在寻求扩展系统的能力，以检测许多不同材料中的许多不同污染物。“我们想要推广到任何环境，”阿迪布说。“这需要我们非常强大，因为你想要学习提取正确的信号，并消除环境对材料内部的影响。”