最近研发的一种电子舌头能够识别类似液体的差异，比如不同含水量的牛奶;各种产品，包括苏打水和咖啡混合物;果汁变质的迹象;还有食品安全问题。
由宾夕法尼亚州立大学的研究人员领导的研究小组还发现，当人工智能(AI)使用自己的评估参数来解释电子舌头产生的数据时，结果甚至更准确。
研究人员于10月9日在《自然》杂志上发表了他们的研究结果。
据研究人员介绍，电子舌头可以用于食品安全和生产，以及医疗诊断。传感器及其人工智能可以广泛地检测和分类各种物质，同时集体评估它们各自的质量、真实性和新鲜度。他们表示，这项评估还为研究人员提供了人工智能如何做出决策的视角，这可能会导致更好的人工智能开发和应用。
通讯作者、阿克利工程教授、工程科学和力学教授萨塔什·达斯说:“我们正试图制造一种人造舌头，但我们体验不同食物的过程不仅仅涉及舌头。”“我们的舌头本身由味觉感受器组成，它与食物相互作用，并将它们的信息发送到味觉皮层——一个生物神经网络。”
味觉皮层是大脑中感知和解释味觉感受器所能感知的各种味道的区域，味觉感受器主要通过甜、酸、苦、咸和咸五大类来对食物进行分类。当大脑学会了味道的细微差别时，它就能更好地区分味道的微妙之处。为了人工模仿味觉皮层，研究人员开发了一种神经网络，这是一种模仿人类大脑评估和理解数据的机器学习算法。
“之前，我们研究了大脑对不同口味的反应，并通过整合不同的二维材料来模仿这一过程，以开发一种蓝图，让人工智能如何更像人类一样处理信息，”达斯建议的工程科学和力学博士生哈里克里什南·拉维昌兰说。
“现在，在这项工作中，我们正在考虑几种化学物质，看看传感器是否能准确地检测到它们，此外，它们是否能检测到类似食品之间的细微差异，并辨别出食品安全问题。”
舌头包括一个石墨烯离子敏感场效应晶体管，或者一个可以检测化学离子的导电装置，连接到一个人工神经网络，通过各种数据集进行训练。Das指出，关键的是，这些传感器是非功能化的，这意味着一个传感器可以检测不同类型的化学物质，而不是为每种潜在的化学物质配备一个特定的传感器。研究人员为神经网络提供了20个特定的参数来评估，所有这些参数都与样品液体如何与传感器的电性能相互作用有关。
基于这些研究人员指定的参数，人工智能可以准确地检测样品——包括掺水牛奶、不同类型的苏打水、混合咖啡和不同新鲜度的多种果汁——并在大约一分钟内报告其含量，准确率超过80%。
“在通过人为选择的参数达到合理的精度后，我们决定让神经网络通过提供原始传感器数据来定义自己的优点。我们发现，当利用机器衍生的价值数字而不是人类提供的价值数字时，神经网络达到了接近理想的推理精度，超过95%，”共同作者安德鲁·潘诺内说，他是达斯建议的工程科学和力学博士生。
“所以，我们使用了一种叫做沙普利加性解释的方法，它允许我们询问神经网络在做出决定后在想什么。”
这种方法使用博弈论(一种考虑其他人的选择来预测单个参与者的结果的决策过程)为所考虑的数据赋值。研究人员表示，有了这些解释，研究人员可以通过逆向工程来理解神经网络如何权衡样本的各个组成部分，从而做出最终决定——这让研究团队得以一窥神经网络的决策过程，而在人工智能领域，这一过程在很大程度上仍然是不透明的。
他们发现，神经网络不是简单地评估单个人为分配的参数，而是考虑它确定的数据是最重要的，沙普利加性解释揭示了神经网络考虑每个输入数据的重要性。
研究人员解释说，这一评估可以与两个人喝牛奶的情况进行比较。他们都能认出这是牛奶，但一个人可能会认为脱脂牛奶已经变质，而另一个人可能会认为2%的牛奶仍然是新鲜的。即使是做出评估的个人也不容易解释原因的细微差别。
达斯说:“我们发现，神经网络关注的是数据中更微妙的特征——我们人类很难恰当地定义这些特征。”
“而且由于神经网络从整体上考虑传感器的特性，它可以减轻每天可能发生的变化。就牛奶而言，神经网络可以确定牛奶中不同的含水量，并在这种情况下确定是否有任何降解指标足以被视为食品安全问题。”
根据达斯的说法，舌头的能力只受到训练数据的限制，这意味着虽然这项研究的重点是食物评估，但它也可以应用于医学诊断。研究人员表示，尽管无论传感器应用在哪里，灵敏度都很重要，但他们的传感器的稳健性为在不同行业的广泛部署提供了一条前进的道路。
达斯解释说，传感器不需要完全相同，因为机器学习算法可以把所有信息放在一起看，仍然会产生正确的答案。这使得制造过程更加实用，成本也更低。
“我们发现我们可以忍受不完美，”达斯说。“这就是大自然——它充满了不完美，但它仍然可以做出强有力的决定，就像我们的电子舌头一样。”
更多信息:Andrew Pannone等人，石墨烯化学传感器和机器学习的鲁棒化学分析，Nature(2024)。DOI: 10.1038/s41586-024-08003-w期刊信息:Nature由宾夕法尼亚州立大学提供引用:检测液体细微差异的电子舌头也提供了人工智能如何做出决策的观点(2024,10月9日)从https://techxplore.com/news/2024-10-electronic-tongue-subtle-differences-liquids.html检索2024年10月9日此文档受版权保护。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。
