I ricercatori del MIT Media Lab hanno sviluppato un sistema wireless semplice e scalabile, utilizza le etichette RFID a basso costo già presenti su centinaia di miliardi di prodotti per rilevare potenziali contaminazioni alimentari, senza che siano necessarie modifiche hardware, sperano di portare la rilevazione della sicurezza alimentare al grande pubblico.
Gli incidenti sulla sicurezza alimentare hanno fatto notizia in tutto il mondo per aver causato malattie e morti quasi ogni anno negli ultimi due decenni: nel 2008, per esempio, 50.000 bambini in Cina sono stati ricoverati in ospedale dopo aver mangiato latte artificiale adulterato con la melammina, un composto organico usato per fare la plastica, è tossico in alte concentrazioni.
Lo scorso 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 per la vendita nei mercati neri di tutto il mondo.
Il sistema chiamato RFIQ, include un lettore che rileva i minimi cambiamenti nei segnali wireless emessi dalle etichette RFID quando i segnali interagiscono con il cibo. I ricercatori per questo studio si sono concentrati sulla formula per bambini e sull’alcol, in futuro i consumatori potrebbero avere il proprio lettore e software per fare il rilevamento della sicurezza alimentare prima di acquistare qualsiasi prodotto. I ricercatori affermano che i sistemi potrebbero anche essere implementati nel retro dei supermercati o nei frigoriferi intelligenti per il ping continuo di un’etichetta RFID per rilevare automaticamente il deterioramento degli alimenti.
La tecnologia dipende dal fatto che alcune modifiche dei segnali emessi da un’etichetta RFID corrispondono a livelli di certi contaminanti all’interno di quel prodotto. Il modello di apprendimento automatico “impara” queste correlazioni e, dato un nuovo materiale, può prevedere se il prodotto è puro o contaminato e a quale concentrazione. Il sistema negli esperimenti ha rilevato la formula per bambini mescolata con melammina con una precisione del 96% e l’alcool diluito con metanolo con una precisione del 97%.
Fadel Adib, assistente professore al MIT Media Lab, co-autore di un documento che descrive il sistema, presentato all‘ACM Workshop on Hot Topics in Networks, ha detto:
«Negli ultimi anni, ci sono stati così tanti rischi legati al cibo e alle bevande che avremmo potuto evitare se avessimo avuto tutti gli strumenti per percepire la qualità e la sicurezza alimentare. Vogliamo democratizzare la qualità e la sicurezza alimentare e portarla nelle mani di tutti».
Il potere dell'”accoppiamento debole”
Sono stati sviluppati anche altri sensori per il rilevamento di sostanze chimiche o deterioramento degli alimenti, si tratta di sistemi molto specializzati, in cui il sensore è rivestito con sostanze chimiche e addestrato a rilevare contaminazioni specifiche. I ricercatori del Media Lab puntano invece a un rilevamento più ampio. Fadel Adib ha detto:
«Il nostro sistema utilizza lo stesso sensore molto economico per prodotti variegati come l’alcool e la formula per bambini. Le etichette RFID sono adesive con minuscole antenne ad altissima frequenza, si applicano a prodotti alimentari e altri articoli, costano da tre a cinque centesimi ciascuno. Tradizionalmente, un dispositivo wireless, chiamato lettore, fa un ping all’etichetta, si accende ed emette un segnale unico contenente informazioni sul prodotto su cui è incollata».
Il sistema dei ricercatori sfrutta il fatto che, quando i tag RFID si accendono, le piccole onde elettromagnetiche che emettono viaggiano e sono distorte dalle molecole e dagli ioni del prodotto nel contenitore.
I ricercatori in fase di studio hanno indicato al modello che i cambiamenti di funzionalità corrispondono a materiali puri o impuri. Hanno usato alcool puro e alcool contaminato con 25, 50, 75 e 100 per cento di metanolo; la formula del bambino è stata adulterata con una percentuale variabile di melammina, da 0 al 30 per cento.
Fadel Adib ha aggiunto:
«Il modello poi imparerà automaticamente quali frequenze sono più colpite da questo tipo d’impurità a questo livello di percentuale. Ottenuto un nuovo campione, ad esempio il 20% di metanolo, il modello estrae le caratteristiche e con precisione ti dice che l’alcol contiene il 20% di metanolo».
Unsoo Ha primo autore dello studio spiega:
«Il processo è noto come “accoppiamento debole”. In sostanza, se la proprietà del materiale cambia, lo stesso vale per le proprietà del segnale, un semplice esempio di distorsione di caratteristica è quella rappresentata da un contenitore vuoto (contiene aria) e un contenitore con acqua. Se un contenitore è vuoto, il RFID risponderà sempre a circa 950 megahertz. Se è pieno d’acqua, questa 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 contaminanti diversi. Questo tipo d’informazioni possono essere utilizzate per classificare i materiali, mostrare caratteristiche diverse tra materiali impuri e puri».
Il lettore nel sistema dei ricercatori, emette un segnale wireless che alimenta l’etichetta 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) distorti. Il lettore quando estrae le caratteristiche del segnale, invia questi dati a un modello ad apprendimento automatico su un computer separato.
Ampliamento delle frequenze
Il concetto del sistema deriva da una tecnica chiamata spettroscopia a radiofrequenza, eccita un materiale con onde elettromagnetiche su un’ampia frequenza e misura le varie interazioni per determinare la composizione del materiale.
La sfida è stata grande nell’adattare questa tecnica al sistema: i tag RFID si accendono solo con una larghezza di banda molto stretta, oscillando intorno ai 950 megahertz. L’estrazione di segnali in una larghezza di banda limitata non fornirebbe alcuna informazione utile.
I ricercatori per misurare centinaia di altre frequenze si sono basati su una tecnica di rilevamento che ha sviluppato in precedenza, chiamata eccitazione a due frequenze, una per l’attivazione e l’altra per il rilevamento. Il lettore invia un segnale a circa 950 megahertz per alimentare il tag RFID, quando si attiva, il lettore invia un’altra frequenza che interagisce su una gamma di frequenze da 400 a 800 megahertz. Rileva i cambiamenti di funzione su tutte queste frequenze e li trasmette al lettore.
I ricercatori in pratica hanno trasformato le RFID a basso costo in minuscoli spettroscopi a radiofrequenza. Poiché la forma del contenitore e altri aspetti ambientali possono influenzare il segnale, stanno ora lavorando per garantire che il sistema possa tenere conto di queste variabili. Stanno anche cercando di espandere le capacità del sistema per rilevare svariati contaminanti in molti diversi materiali.