新型無線系統：用RFID標籤檢測食品安全！

導讀

近日，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，採用在數以億計產品上廣泛使用的廉價RFID標籤來檢測食品污染，而且無需任何硬體修改。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，由於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，是一種用於製造塑料的有機成分，高濃度時是有毒的。今年4月份，印度尼西亞有超過百人死於飲用受到一定程度甲醇污染的酒。甲醇，在加水稀釋後與酒精的氣味相近，且售價遠低於食用酒精，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。

（圖片來源：麥克馬斯特大學）

2）美國克拉克森大學的科學家們開發出一種低成本、攜帶型紙基感測器，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。

（圖片來源：Silvana Andreescu）

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

（圖片來源：加州大學伯克利分校）

創新

今天，讓我們再看一項應用於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（Media Lab）的研究人員們開發出一種無線系統，採用在數以億計產品上廣泛使用的廉價 RFID 標籤來檢測食品污染，而且無需任何硬體修改。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路熱門話題。論文合著者包括：媒體實驗室助理教授 Fadel Adib、第一作者博士後 Unsoo Ha、博士後 Yunfei Ma、訪問研究員 Zexuan Zhong、電氣與計算機科學系研究生 Tzu-Ming Hsu。

技術

研究人員開發的系統稱為「RFIQ」，內含一個閱讀器。當 RFID 標籤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。

這項技術是基於：RFID標籤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%。

對於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感測器，但是那些都是高度專業化的系統，感測器塗有化學物質，並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於更廣泛的感知。Fadel Adib 表示：「我們將這種檢測完全轉移至計算側，你將可採用非常廉價的感測器檢測各種產品，例如酒和嬰兒配方奶粉。」

RFID 標籤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，每個標籤大約花費三到五美分。傳統意義上說，稱為「閱讀器」的無線設備用於感知標籤，使標籤上電並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 標籤上電時，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，信號的特徵也隨之改變。

一個關於特徵失真的簡單例子，就是裝有空氣或者水的容器。如果容器是空的，那麼 RFID 將總是響應950兆赫的電磁波。如果容器裝有水，那麼水會吸收一些頻率，並且它主要的響應是720兆赫左右。特徵失真對於不同材料和不同污染物的檢測是更加細粒度的。Ha 表示：「此類信息可用於分類材料，在摻雜與純凈的材料之間顯示出不同的特徵。」

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 標籤上電。電磁波穿透容器內部的材料，並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徵時，它將這些數據發送至一台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麼樣相應的特徵變化。這項研究中，他們採用純凈的酒和含有25%、50%、75%、100%甲醇的酒；他們採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：「那麼，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後，例如，20%的甲醇，模型會提取【特徵】並為它們稱重，並告訴你們，『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，並測量各種形式的交互，從而判斷材料的組成。

但是，將這項技術用於系統存在一個主要挑戰：RFID標籤只能在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採集到任何有用信息。

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，一個頻率用於激活，一個頻率用於感知。閱讀器發送一個位於950兆赫左右的信號為RFID標籤上電。當標籤激活時，閱讀器再發送另外一個頻率掃過約從400兆赫至800兆赫的頻率範圍。它檢測到所有這些頻率帶來的特徵變化，並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。」

由於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於保證系統能夠考慮到這些變數。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，消除環境對於材料內部的影響。」

價值

Fadel Adib 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，那麼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，並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體，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 標籤，自動檢測食物變質。

關鍵字

食品安全、RFID、機器學習、感測器

參考資料

【1】http://news.mit.edu/2018/food-safety-rfid-detection-consumers-1114

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