محققان آزمایشگاه رسانه‌ی MIT یک سیستم بی‌سیم را توسعه داده‌اند که برچسب‌های RFID ارزان‌قیمت را تولید و طراحی می‌کنند تا در صدها میلیارد محصول برای افزایش حساسیت به  آلودگی مواد غذایی به‌کار گرفته شوند. لازم است بدانید که استفاده از این برچسب‌ها بدون تغییرات سخت‌افزاری بوده است. محققان با استفاده از این سیستم ساده و مقیاس‌پذیر، امیدوارند که تشخیص ایمنی مواد غذایی را در اختیار عموم قرار دهند.

آمار سالانه‌ی حوادث ایمنی مربوط‌به مواد غذایی در سراسر جهان برای ایجاد بیماری و مرگ در دو دهه گذشته به‌طور مداوم منتشر شده است. به‌عنوان مثال، در سال ۲۰۰۸، ۵۰ هزار نوزاد در چین پس از خوردن فرمول تغذیه‌ی نوزاد با ملامین، یک ترکیب ارگانیک برای تولید پلاستیک، که در غلظت‌های بالا سمی است، بستری شدند. در ماه آوریل گذشته، بیش از ۱۰۰ تن در اندونزی پس از نوشیدن الکل که به‌طور جزئی به متانول آلوده بود (متانول: یک الکل سمی که معمولا برای رقیق کردن مشروب برای فروش در بازارهای سیاه و سفید در سراسر جهان استفاده می شود) به کام مرگ رفتند.

این سیستم RFIQ نامیده می‌شود و شامل ساطع‌کننده‌ای است که تغییرات مواد غذایی را به‌صورت دقیقه‌ای و سیگنال‌های بی‌سیم که از طریق برچسب‌های RFID با مواد غذایی ارتباط برقرار می‌کنند، حس و ارسال می‌کند. دانشمندان در حال حاضر بر فرمول‌های غذایی کودکان و الکل تمرکز دارند؛ اما در آینده، مصرف‌کنندگان ممکن است با استفاده از ساطع‌کننده و نرم‌افزار مختص به خود، قبل از خرید، ارزیابی ایمنی مواد غذایی را بررسی و تقریبا اطلاعات مربوط به همه‌ی محصولات را داشته باشند. محققان می‌گویند این سیستم همچنین می‌تواند در اتاق‌های پشتی سوپرمارکت‌ها یا در یخچال‌های هوشمند به کار گرفته شود تا به‌طور مداوم تگ‌های RFID را به‌صورت اتوماتیک تشخیص و پس از بررسی نسبت به خرابی یا سلامت مواد غذایی هشدار دهد.

کارکرد واقعی این تکنولوژی بر این استوار است که هنگامی که تغییرات خاصی در سیگنال‌های برچسب RFID رخ می‌دهد، به مشتری می‌گوید که این تغییرات مربوط به کدام‌یک از سطوح آلاینده‌های خاص در آن محصول می‌شود. مدل دیگری از کارکرد آن یادگیری ماشین «یادگیرنده» است که با توجه به افزایش یک ماده جدید در مواد غذایی، می تواند پیش‌بینی کند که آیا مواد پاک یا مخرب است؟ در آزمایشگاه، سیستم تشخیص فرمول نوازد آغشته با ملامین با دقت ۹۶ درصد و سیستم تشخیص الکلی رقیق با متانول با ۹۷ درصد دقت آزمایش شد.

فدال ادیب پرفسور آزمایشگاه رسانه‌ی MIT می گوید:

در سال های اخیر، اگر ما همه‌ی ابزارهای سنجش کیفیت غذا و ایمنی خودمان را داشتیم، می‌توانستیم از مصرف بسیاری از غذاها و نوشیدنی‌های خطرناک که می بایست از آن‌ها اجتناب کنیم، ، خودداری کنیم. ما می‌خواهیم کیفیت و ایمنی غذا را دموکراتیزه کنیم و آن را به دست همه برسانیم.

قدرت اتصال ضعیف

سنسورهای دیگری نیز برای تشخیص مواد شیمیایی یا سموم در مواد غذایی ساخته شده‌اند. اما این‌ها سیستم‌های بسیار تخصصی هستند که در آن سنسور با مواد شیمیایی پوشش داده می‌شود و برای آلودگی‌های خاصی آموزش دیده و برنامه‌ریزی شده است و برای سنجش وسیع‌تر در تلاش هستند. ادیب می‌گوید: «ما این تشخیص را صرفا به محاسبات منتقل کرده‌ایم، جایی که شما قصد استفاده از یک سنسور ارزان‌قیمت، برای سنجش سلامت محصولات متنوعی از الکل و فرمول‌های نوزاد دارید».

برچسب‌های RFID برچسب‌هایی با آنتن‌های کوچک و فرکانس بالا هستند. آن‌ها با هزینه‌ایی حدود سه تا پنج سنت روی محصولات غذایی و موارد دیگر قرار می‌گیرند. به‌طور سنتی، یک دستگاه بی‌سیم که به ساطع‌کننده‌ی روی محصولات تگ شده است، آن را فرا می‌خواند و سیگنالی منحصربه‌فرد حاوی اطلاعات مربوط به محصولی که به آن متصل شده است، منتشر می‌کند.

سیستم محققان با درک این واقعیت که وقتی RFID برچسب‌ها را فعال می کنند، امواج الکترومغناطیس کوچک آن‌ها از طریق مولکول‌ها و یون‌های محتوا در ظرف تحریک می‌شوند. این فرایند به‌عنوان «اتصال ضعیف» شناخته می‌شود. اساسا، اگر خاصیت مواد تغییر کند، خواص سیگنال نیز تغییر می‌کند.

یک نمونه ساده از اعوجاج، ویژگی یک ظرف هوا در برابر آب است. اگر یک ظرف خالی باشد، RFID همیشه حدود ۹۵۰ مگا‌هرتز پاسخ می‌هد. اگر ظرف از آب پر شود، آب برخی از فرکانس‌ها را جذب می کند و پاسخ آن تنها حدود ۷۲۰ مگا‌هرتز است. اعوجاج ویژگی‌ها با مواد مختلف و آلاینده‌های مختلف بسیار دقیق‌تر است. Ha می‌گوید: «این نوع اطلاعات می‌تواند برای طبقه‌بندی مواد استفاده شود... و ویژگی‌های متفاوتی را بین مواد خالص و ناخالص نشان می‌دهد».

در سیستم محققان، یک ساطع‌کننده، یک سیگنال بی‌سیم با استفاده از برچسب RFID که روی ظرف غذا قرار گرفته، تولید می‌کند. امواج الکترومغناطیسی به مواد داخل ظرف نفوذ می‌کنند و با دامنه‌ی تحریف‌شده (قدرت سیگنال) و فاز (زاویه) به ساطع‌کننده برمی‌گردند.

هنگامی که ساطع‌کننده ویژگی‌های سیگنال را استخراج می کند، این داده‌ها را به یک مدل جداگانه از کامپیوترهای نوع یادگیرنده می فرستد. در آنجا، سیستم محققان مدل را مطابقت می‌دهند و به ما می‌گویند که تغییرات ویژگی‌های مربوط به مواد خالص یا ناخالص است. برای این مطالعه، آن‌ها از الکل خالص و الکل ناخالص با ۲۵، ۵۰، ۷۵و ۱۰۰ درصد متانول استفاده می‌کنند. فرمول نوزاد با درصد متفاوتی از ملامین، از ۰ تا ۳۰ درصد، شبیه‌سازی می‌شود.

ادیب می‌گوید:

سپس مدل به‌طور خودکار یاد می‌گیرد که چه فرکانس‌هایی بیشترین تاثیر از این نوع ناخالصی در این سطح درصد را می‌پذیرند. هنگامی که یک نمونه جدید دریافت می‌کنیم، می‌گویند ۲۰ درصد متانول از عصاره مدل [ویژگی‌ها] و وزن آن‌ها است و به شما می‌گوید «من با دقت بالا فکر می‌کنم که این الکل ۲۰ درصد متانول دارد».

بن ژائو، استاد علوم رایانه در دانشگاه شیکاگو می‌گوید: «فناوری RFID قطعا بسیار کاربردی به شمار می‌آید و می‌تواند تاثیر زیادی در تعدادی از صنایع واقعی مربوط به غذا و سلامت داشته باشد.در حالی که سیستم باید به دقت برای برنامه‌های دنیای واقعی ارزیابی شود، واضح است که نتایج کنونی وعده‌های داده‌شده را نشان می‌دهد و ممکن است شروع کار قابل‌توجهی در این فضا باشد و ادامه توسعه در این مسیر می‌تواند به‌طور کامل کیفیت کالای غذایی آینده را تغییر دهد.»

گسترش فرکانس ها

این سیستم مفهمومی، از تکنیکی به نام طیف‌سنجی فرکانس رادیویی استفاده می کند که مواد را با امواج الکترومغناطیسی را در یک فرکانس وسیع تحریک می‌کند. سپس تعاملات و پاسخ‌های مختلف را برای تعیین آرایش مواد اندازه‌گیری می‌کند.

اما یک چالش عمده در تطبیق این تکنیک برای سیستم وجود داشت: برچسب های RFID تنها در یک پهنای باند بسیار فشرده و در حدود ۹۵۰ مگاهرتز کار می‌کردند. سیگنال‌های استخراج‌شده در پهنای باندی به این محدودیت هیچ اطلاعات مفیدی را خالص نمی‌کند.

محققان روی یک تکنیک سنجشی به نام تحریک دوبعدی که پیشتر آن را توسعه داده بودند، کار کردند. این سیستم دو فرکانس ارسال می‌کند. یکی برای فعال‌سازی و دیگری برای اندازه‌گیری - برای اندازه‌گیری صدها فرکانس بیشتر. ساطع‌کننده یک سیگنال را در حدود ۹۵۰ مگاهرتز برای تأیید برچسب RFID می‌فرستد. هنگامی که آن را فعال می‌کند، ساطع‌کننده یک فرکانس رفت و برگشت دیگر را ارسال می‌کند که طیف فرکانس‌هایی را از حدود ۴۰۰ تا ۸۰۰ مگا هرتز می‌گذارد. این ویژگی در تمام این فرکانس‌ها تغییرات را تشخیص می‌دهد و آن‌ها را به ساطع‌کننده می‌فرستد.

با توجه به نتایج، تقریبا به‌نظر می‌رسد که ما RFIDهای ارزان را به طیف‌سنج‌های فرکانس رادیویی کوچک تبدیل کرده‌ایم.

از آنجا که شکل ظروف و سایر جنبه های زیست‌محیطی می‌تواند سیگنال را تحت تأثیر قرار دهد، محققان در حال حاضر در تلاش هستند تا سیستم بتواند تاثیر این متغیرها را حساب کند. آن‌ها همچنین به‌دنبال گسترش قابلیت‌های این سیستم برای تشخیص بسیاری از آلاینده‌های مختلف در بسیاری از مواد مختلف هستند.

ادیب می گوید:

ما می‌خواهیم سیستم را به هر محیطی تعمیم دهیم. این امر مستلزم آن است که ما بسیار قوی باشیم، زیرا می‌خواهید یاد بگیرید که سیگنال‌های مناسب را بیرون بکشید و تاثیر محیط را از آنچه که درون مواد است، حذف کنید.