Để đánh giá tình trạng của thực phẩm, người tiêu dùng chủ yếu kiểm tra hạn sử dụng hay cảm quan cá nhân như quan sát hình thức bên ngoài hay ngửi bằng mũi. Những phương thức thủ công này thường thiếu chính xác và khó phát hiện được vi khuẩn độc hại trước khi chúng kịp gây nguy cơ lớn cho sức khỏe.

Trước thực trạng đó, các nhà nghiên cứu tại Đại học California, Berkeley (UC Berkeley, Mỹ) đã chế tạo thành công một hệ thống “mũi điện tử” nhỏ gọn, kết hợp các cảm biến khí siêu nhỏ và mô hình học máy để "đọc vị" chính xác các dấu vết hóa học đặc trưng của thực phẩm hư hỏng lẫn các chất gây dị ứng phổ biến.

Các nhà khoa học kỳ vọng, công nghệ mới này sẽ sớm được tích hợp vào các thiết bị gia dụng thông minh và công cụ giám sát thực phẩm trong tương lai gần để có thể giúp đánh giá an toàn thực phẩm một cách khách quan hơn.

Số hóa khứu giác bằng cảm biến và AI

Theo nhóm nghiên cứu, thiết bị được trang bị 16 cảm biến khí siêu nhỏ, mỗi cảm biến phản ứng theo cách khác nhau với các hợp chất hóa học có trong không khí. Khi tiếp xúc với thực phẩm, các cảm biến tạo ra những “dấu vân tay hóa học” đặc trưng, cho phép hệ thống nhận biết từng loại thực phẩm riêng biệt.

Bà Carla Bassil, tác giả chính của nghiên cứu và là nghiên cứu sinh tiến sĩ ngành Kỹ thuật Điện và Khoa học Máy tính tại UC Berkeley, cho biết thiết bị hoạt động tương tự một bộ cơ quan khứu giác kỹ thuật số. Các tín hiệu hóa học được chuyển đổi thành tín hiệu điện, sau đó được các mô hình học máy phân tích và phân loại.

Để huấn luyện hệ thống, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm trên nhiều loại thực phẩm khác nhau như dâu tây, việt quất, chuối, quả óc chó, hạt dẻ, hạt điều và đậu phộng. Đặc biệt, hệ thống có thể phân biệt chính xác trạng thái tươi ngon hay đã xuống cấp của thịt gà sống, sữa và trứng sau khi để ở nhiệt độ phòng trong 24 và 48 giờ thông qua lượng khí chúng giải phóng.

Theo bà Bassil, sức mạnh của công nghệ nằm ở việc kết hợp khả năng phát hiện hóa chất của cảm biến với năng lực nhận diện mẫu của AI. Nhờ đó, hệ thống có thể xác định chính xác các dấu hiệu hóa học liên quan đến thực phẩm mà khứu giác con người khó nhận biết một cách ổn định.

Không chỉ nhận diện thực phẩm hư hỏng, “mũi điện tử” còn cho thấy tiềm năng lớn trong việc phát hiện các chất gây dị ứng.

Trong các thử nghiệm, thiết bị có thể phát hiện lượng quả óc chó chỉ khoảng 0,05 gram, tương đương gần 1% trọng lượng của một quả óc chó đã bóc vỏ. Độ nhạy này có thể mở ra các ứng dụng mới trong lĩnh vực an toàn thực phẩm, đặc biệt đối với những người có tiền sử dị ứng nghiêm trọng.

Nhóm nghiên cứu cho biết, hệ thống hiện mới chỉ được đánh giá trong điều kiện phòng thí nghiệm. Những thử nghiệm tiếp theo sẽ tập trung vào các môi trường phức tạp hơn, chẳng hạn khi chất gây dị ứng bị trộn lẫn với nhiều loại thực phẩm khác hoặc khi xuất hiện đồng thời nhiều mùi khác nhau.

Tăng độ nhạy nhờ công nghệ ống nano carbon

Mặc dù khái niệm “mũi điện tử” đã xuất hiện từ nhiều thập kỷ trước, việc tích hợp nhiều loại vật liệu cảm biến khác nhau trên cùng một vi mạch vẫn là thách thức lớn.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng các ống nano carbon thay cho vật liệu oxit kim loại truyền thống. Nhờ sở hữu diện tích bề mặt lớn và khả năng dẫn điện cao, các ống nano carbon có thể phát hiện các hợp chất hóa học với độ nhạy cao ngay ở nhiệt độ phòng.

Việc không cần vận hành ở nhiệt độ cao cũng cho phép nhóm nghiên cứu sử dụng thêm nhiều loại vật liệu cảm biến khác, bao gồm cả các polyme vốn dễ bị phân hủy khi gặp nhiệt. Đồng thời, quy trình chế tạo được đơn giản hóa khi nhiều vật liệu cảm biến có thể được tích hợp trong cùng một bước sản xuất.

Hiện nhóm nghiên cứu của bà Bassil đã phát triển một phiên bản di động của hệ thống có thể kết nối với ứng dụng trên iPhone. Trong thời gian tới, nhóm sẽ tiếp tục cải thiện độ tin cậy của thiết bị và đánh giá hiệu quả hoạt động trong các điều kiện thực tế.

Nghiên cứu do Giáo sư Ali Javey của Đại học California, Berkeley dẫn dắt, với sự tham gia của các nhà khoa học từ Berkeley và Viện Khoa học và Công nghệ tiên tiến Hàn Quốc (KAIST). Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Science Advances.