Đã chế tạo được mũi điện tử phân biệt hàng vạn mùi như con người, mở đường cho robot biết ngửi

Nhóm nghiên cứu do Giáo sư Hyuk-Jun Kwon thuộc Khoa Kỹ thuật Điện và Khoa học Máy tính, Viện Khoa học và Công nghệ Daegu Gyeongbuk (DGIST, Hàn Quốc) dẫn đầu vừa công bố lộ trình phát triển hệ thống khứu giác nhân tạo trên tạp chí Progress in Materials Science – một trong những tạp chí hàng đầu thế giới về khoa học vật liệu.

Hệ thống khứu giác nhân tạo, hay còn gọi là mũi điện tử (electronic nose – e-nose), hoạt động dựa trên nguyên lý sử dụng nhiều cảm biến để phát hiện các phân tử mùi trong không khí. Mỗi mùi sẽ tạo ra một tập hợp tín hiệu riêng từ các cảm biến, sau đó AI được huấn luyện để học, phân tích và nhận diện các mẫu tín hiệu này.

Điểm đặc biệt của nghiên cứu nằm ở việc mô phỏng cơ chế hoạt động của khứu giác con người. Thay vì mỗi thụ thể chỉ nhận biết một loại mùi, mũi người sử dụng cơ chế "mã hóa tổ hợp", trong đó một mùi hương sẽ đồng thời kích hoạt nhiều thụ thể khác nhau, tạo nên một "dấu vân tay" đặc trưng. Chính nguyên lý này giúp con người có thể phân biệt số lượng mùi hương khổng lồ dù chỉ sở hữu khoảng vài trăm loại thụ thể khứu giác.

Để tái tạo cơ chế này, nhóm nghiên cứu sử dụng các vật liệu khung hữu cơ kim loại (Metal-Organic Frameworks – MOFs). Đây là nhóm vật liệu có cấu trúc siêu xốp, diện tích bề mặt rất lớn và có thể được thiết kế linh hoạt nhằm tạo ra những phản ứng khác nhau khi tiếp xúc với từng loại phân tử mùi.

Theo nhóm nghiên cứu, công nghệ mũi điện tử dựa trên MOF được chia thành ba nhóm gồm MOF nguyên bản, vật liệu composite MOF và các dẫn xuất MOF. Trong đó, MOF đóng vai trò nền tảng nhờ cấu trúc khung và độ xốp có thể điều chỉnh theo mục đích sử dụng, còn vật liệu composite và dẫn xuất giúp nâng cao độ nhạy, độ ổn định cũng như khả năng chọn lọc của cảm biến. Khi kết hợp với các thuật toán học máy và học sâu, hệ thống có thể phân loại, diễn giải chính xác hơn những tín hiệu mùi vốn rất phức tạp.

Giáo sư Hyuk-Jun Kwon cho biết: "MOF cung cấp một thư viện vật liệu gần như vô hạn, có thể được thiết kế để tạo ra các phản ứng khác nhau đối với từng loại mùi, tương tự như cách các thụ thể khứu giác của con người hoạt động. Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng vì đã thu hẹp khoảng cách giữa nghiên cứu vật liệu và nghiên cứu nhận diện mùi dựa trên AI, đồng thời mở ra lộ trình phát triển các hệ thống mũi điện tử thông minh được thiết kế cho từng ứng dụng cụ thể".

Có thể hiểu rằng, nhờ "thư viện" vật liệu gần như vô hạn của MOF, các nhà khoa học có thể thiết kế những cảm biến phản ứng theo nhiều cách khác nhau trước từng loại mùi, tương tự cách các thụ thể khứu giác trong mũi người hoạt động. Điều này giúp AI có nguồn dữ liệu phong phú hơn để học và nhận diện mùi với độ chính xác cao.

Theo các nhà nghiên cứu, tiềm năng ứng dụng của mũi điện tử tích hợp AI rất rộng. Trong lĩnh vực y tế, thiết bị có thể hỗ trợ phát hiện bệnh thông qua phân tích hơi thở của bệnh nhân. Trong công nghiệp và môi trường, hệ thống có thể giám sát chất lượng không khí, phát hiện khí độc hoặc cảnh báo sớm các sự cố hóa chất. Ngoài ra, công nghệ còn hứa hẹn góp mặt trong nông nghiệp thông minh, kiểm soát chất lượng thực phẩm, cũng như trang bị "khứu giác" cho xe tự hành và robot để nâng cao khả năng nhận biết môi trường xung quanh.

Mặc dù vẫn cần thêm thời gian để hoàn thiện và thương mại hóa, nghiên cứu của DGIST cho thấy AI đang từng bước mở rộng phạm vi mô phỏng các giác quan của con người. Sau thị giác và thính giác, khứu giác có thể sẽ là lĩnh vực tiếp theo được số hóa, tạo nền tảng cho thế hệ cảm biến thông minh phục vụ nhiều ngành công nghiệp trong tương lai.