I ricercatori del MIT Media Lab hanno sviluppato un sistema wireless che sfrutta i tag RFID economici già presenti su centinaia di miliardi di prodotti per rilevare la potenziale contaminazione degli alimenti, senza bisogno di modifiche hardware. Con il semplice, sistema scalabile, i ricercatori sperano di portare il rilevamento della sicurezza alimentare al pubblico in generale.

Negli ultimi due decenni, gli incidenti relativi alla sicurezza alimentare hanno fatto notizia in tutto il mondo per aver causato malattie e decessi quasi ogni anno. Già nel 2008, ad esempio, 50, 000 bambini in Cina sono stati ricoverati in ospedale dopo aver mangiato latte artificiale adulterato con melamina, un composto organico utilizzato per produrre plastica, che è tossico in alte concentrazioni. E questo aprile, più di 100 persone in Indonesia sono morte per aver bevuto alcol contaminato, in parte, con metanolo, un alcol tossico comunemente usato per diluire il liquore in vendita nei mercati neri di tutto il mondo.

Il sistema dei ricercatori, chiamato RFIQ, include un lettore che rileva i minimi cambiamenti nei segnali wireless emessi dai tag RFID quando i segnali interagiscono con il cibo. Per questo studio si sono concentrati sulla formula per bambini e sull'alcol, ma in futuro, i consumatori potrebbero avere il proprio lettore e software per condurre un rilevamento della sicurezza alimentare prima di acquistare praticamente qualsiasi prodotto. I sistemi potrebbero essere implementati anche nelle stanze sul retro dei supermercati o nei frigoriferi intelligenti per eseguire il ping continuo di un tag RFID per rilevare automaticamente il deterioramento degli alimenti, dicono i ricercatori.

La tecnologia si basa sul fatto che alcuni cambiamenti nei segnali emessi da un tag RFID corrispondono a livelli di determinati contaminanti all'interno di quel prodotto. Un modello di apprendimento automatico "apprende" tali correlazioni e, dato un nuovo materiale, può prevedere se il materiale è puro o contaminato, e a quale concentrazione. Negli esperimenti, il sistema ha rilevato la formula per bambini allacciata con melamina con una precisione del 96%, e alcol diluito con metanolo con una precisione del 97%.

"Negli ultimi anni, ci sono stati così tanti rischi legati al cibo e alle bevande che avremmo potuto evitare se tutti avessimo avuto gli strumenti per percepire da soli la qualità e la sicurezza del cibo, "dice Fadel Adib, un assistente professore al Media Lab che è coautore di un documento che descrive il sistema, presentato all'ACM Workshop on Hot Topics in Networks. "Vogliamo democratizzare la qualità e la sicurezza alimentare, e portalo nelle mani di tutti».

I coautori del documento includono:postdoc e primo autore Unsoo Ha, postdoc Yunfei Ma, il ricercatore in visita Zexuan Zhong, e lo studente laureato in ingegneria elettrica e informatica Tzu-Ming Hsu.

Il potere dell'"accoppiamento debole"

Sono stati sviluppati anche altri sensori per rilevare sostanze chimiche o deterioramento negli alimenti. Ma quelli sono sistemi altamente specializzati, dove il sensore è rivestito con sostanze chimiche e addestrato a rilevare contaminazioni specifiche. I ricercatori di Media Lab puntano invece a un rilevamento più ampio. "Abbiamo spostato questo rilevamento esclusivamente sul lato del calcolo, dove utilizzerai lo stesso sensore molto economico per prodotti diversi come alcol e latte artificiale, "dice Adib.

I tag RFID sono adesivi con minuscoli, antenne ad altissima frequenza. Vengono su prodotti alimentari e altri oggetti, e ciascuno costa dai tre ai cinque centesimi. Tradizionalmente, un dispositivo wireless chiamato lettore esegue il ping del tag, che si accende ed emette un segnale univoco contenente informazioni sul prodotto a cui è attaccato.

Il sistema dei ricercatori sfrutta il fatto che, quando i tag RFID si accendono, le piccole onde elettromagnetiche che emettono viaggiano e vengono distorte dalle molecole e dagli ioni del contenuto nel contenitore. Questo processo è noto come "accoppiamento debole". Essenzialmente, se le proprietà del materiale cambiano, così fanno le proprietà del segnale.

Un semplice esempio di distorsione delle caratteristiche è con un contenitore di aria contro acqua. Se un contenitore è vuoto, l'RFID risponderà sempre a circa 950 megahertz. Se è pieno d'acqua, l'acqua assorbe parte della frequenza, e la sua risposta principale è di circa 720 megahertz. Le distorsioni delle caratteristiche diventano molto più fini con materiali diversi e diversi contaminanti. "Questo tipo di informazioni può essere utilizzato per classificare i materiali ... [e] mostrano caratteristiche diverse tra materiali impuri e puri, " Ha detto.

Nel sistema dei ricercatori, un lettore emette un segnale wireless che alimenta il tag RFID su un contenitore per alimenti. Le onde elettromagnetiche penetrano nel materiale all'interno del contenitore e ritornano al lettore con ampiezza (forza del segnale) e fase (angolo) distorte.

Quando il lettore estrae le caratteristiche del segnale, invia quei dati a un modello di apprendimento automatico su un computer separato. In allenamento, i ricercatori dicono al modello quali modifiche delle caratteristiche corrispondono a materiali puri o impuri. Per questo studio, usavano alcol puro e alcol contaminato con 25, 50, 75, e 100 percento di metanolo; la formula per bambini era adulterata con una percentuale variabile di melamina, dallo 0 al 30 per cento.

"Quindi, il modello apprenderà automaticamente quali frequenze sono maggiormente influenzate da questo tipo di impurità a questo livello di percentuale, " dice Adib. "Una volta ottenuto un nuovo campione, dire, 20 percento di metanolo, il modello estrae [le caratteristiche] e le pesa, e ti dice, 'Penso con grande precisione che questo sia alcol con il 20% di metanolo.'"

Allargare le frequenze

Il concetto del sistema deriva da una tecnica chiamata spettroscopia a radiofrequenza, che eccita un materiale con onde elettromagnetiche su un'ampia frequenza e misura le varie interazioni per determinare la composizione del materiale.

Ma c'era una grande sfida nell'adattare questa tecnica per il sistema:i tag RFID si attivano solo con una larghezza di banda molto ridotta che oscilla intorno ai 950 megahertz. L'estrazione di segnali in quella larghezza di banda limitata non porterebbe a nessuna informazione utile.

I ricercatori si sono basati su una tecnica di rilevamento sviluppata in precedenza, chiamata eccitazione a due frequenze, che invia due frequenze:una per l'attivazione, e uno per il rilevamento, per misurare centinaia di frequenze in più. Il lettore invia un segnale a circa 950 megahertz per alimentare il tag RFID. Quando si attiva, il lettore invia un'altra frequenza che spazza una gamma di frequenze da circa 400 a 800 megahertz. Rileva le modifiche delle caratteristiche su tutte queste frequenze e le invia al lettore.

"Alla luce di questa risposta, è quasi come se avessimo trasformato RFID economici in minuscoli spettroscopi a radiofrequenza, "dice Adib.

Poiché la forma del contenitore e altri aspetti ambientali possono influenzare il segnale, i ricercatori stanno attualmente lavorando per garantire che il sistema possa tenere conto di tali variabili. Stanno anche cercando di espandere le capacità del sistema per rilevare molti contaminanti diversi in molti materiali diversi.

"Vogliamo generalizzare a qualsiasi ambiente, " Dice Adib. "Ciò richiede che siamo molto robusti, perché vuoi imparare a estrarre i segnali giusti e ad eliminare l'impatto dell'ambiente da quello che c'è dentro il materiale."