Les chercheurs du MIT Media Lab ont développé un système sans fil qui exploite les étiquettes RFID bon marché déjà présentes sur des centaines de milliards de produits pour détecter une contamination alimentaire potentielle, sans aucune modification matérielle nécessaire. Avec la simplicité, système évolutif, les chercheurs espèrent apporter la détection de la sécurité alimentaire au grand public.

Les incidents liés à la salubrité des aliments ont fait la une des journaux dans le monde entier pour avoir causé des maladies et des décès presque chaque année au cours des deux dernières décennies. De retour en 2008, par exemple, 50, 000 bébés en Chine ont été hospitalisés après avoir mangé des préparations pour nourrissons adultérées avec de la mélamine, un composé organique utilisé pour fabriquer des plastiques, qui est toxique à forte concentration. Et ce mois d'avril, plus de 100 personnes en Indonésie sont mortes d'avoir bu de l'alcool contaminé, en partie, avec du méthanol, un alcool toxique couramment utilisé pour diluer l'alcool en vente sur les marchés noirs du monde entier.

Le système des chercheurs, appelé RFIQ, comprend un lecteur qui détecte les changements infimes des signaux sans fil émis par les étiquettes RFID lorsque les signaux interagissent avec les aliments. Pour cette étude, ils se sont concentrés sur les préparations pour nourrissons et l'alcool, mais à l'avenir, les consommateurs peuvent avoir leur propre lecteur et logiciel pour effectuer une détection de la salubrité des aliments avant d'acheter pratiquement n'importe quel produit. Des systèmes pourraient également être mis en œuvre dans les arrière-salles des supermarchés ou dans les réfrigérateurs intelligents pour pinger en continu une étiquette RFID afin de détecter automatiquement la détérioration des aliments, disent les chercheurs.

La technologie repose sur le fait que certains changements dans les signaux émis par une étiquette RFID correspondent à des niveaux de certains contaminants dans ce produit. Un modèle d'apprentissage automatique « apprend » ces corrélations et, étant donné un nouveau matériau, peut prédire si le matériau est pur ou contaminé, et à quelle concentration. Dans les expériences, le système a détecté du lait maternisé contenant de la mélamine avec une précision de 96 %, et de l'alcool dilué avec du méthanol avec une précision de 97 pour cent.

"Dans les années récentes, il y a eu tellement de dangers liés aux aliments et aux boissons que nous aurions pu éviter si nous avions tous eu des outils pour ressentir nous-mêmes la qualité et la sécurité des aliments, " dit Fadel Adib, un professeur assistant au Media Lab qui est co-auteur d'un article décrivant le système, qui est présenté à l'atelier ACM sur les sujets chauds dans les réseaux. « Nous voulons démocratiser la qualité et la sécurité alimentaire, et le mettre entre les mains de tout le monde."

Les co-auteurs de l'article sont :le post-doctorant et premier auteur Unsoo Ha, post-doctorant Yunfei Ma, chercheur invité Zexuan Zhong, et Tzu-Ming Hsu, étudiant diplômé en génie électrique et en informatique.

Le pouvoir du "couplage faible"

D'autres capteurs ont également été développés pour détecter les produits chimiques ou la détérioration des aliments. Mais ce sont des systèmes hautement spécialisés, où le capteur est recouvert de produits chimiques et formé pour détecter des contaminations spécifiques. Les chercheurs du Media Lab visent plutôt une détection plus large. "Nous avons déplacé cette détection purement du côté du calcul, où vous allez utiliser le même capteur très bon marché pour des produits aussi variés que l'alcool et le lait maternisé, " dit Adib.

Les étiquettes RFID sont des autocollants avec de minuscules, antennes ultra-haute fréquence. Ils viennent sur les produits alimentaires et autres articles, et chacun coûte environ trois à cinq cents. Traditionnellement, un appareil sans fil appelé lecteur envoie une requête ping à l'étiquette, qui s'allume et émet un signal unique contenant des informations sur le produit auquel il est collé.

Le système des chercheurs tire parti du fait que, lorsque les balises RFID s'allument, les petites ondes électromagnétiques qu'ils émettent se propagent et sont déformées par les molécules et les ions du contenu du récipient. Ce processus est connu sous le nom de « couplage faible ». Essentiellement, si la propriété du matériau change, les propriétés du signal aussi.

Un exemple simple de distorsion de caractéristiques est avec un conteneur d'air par rapport à l'eau. Si un conteneur est vide, la RFID répondra toujours à environ 950 mégahertz. S'il est rempli d'eau, l'eau absorbe une partie de la fréquence, et sa réponse principale est d'environ 720 mégahertz seulement. Les distorsions des caractéristiques deviennent beaucoup plus fines avec différents matériaux et différents contaminants. "Ce genre d'information peut être utilisé pour classer les matériaux... [et] montrer des caractéristiques différentes entre les matériaux impurs et purs, " Ha dit.

Dans le système des chercheurs, un lecteur émet un signal sans fil qui alimente l'étiquette RFID sur un récipient alimentaire. Les ondes électromagnétiques pénètrent dans le matériau à l'intérieur du conteneur et retournent au lecteur avec une amplitude (intensité du signal) et une phase (angle) déformées.

Lorsque le lecteur extrait les caractéristiques du signal, il envoie ces données à un modèle d'apprentissage automatique sur un ordinateur séparé. Dans la formation, les chercheurs indiquent au modèle quels changements de caractéristiques correspondent à des matériaux purs ou impurs. Pour cette étude, ils ont utilisé de l'alcool pur et de l'alcool teinté au 25, 50, 75, et 100 pour cent de méthanol; le lait maternisé a été adultéré avec un pourcentage varié de mélamine, de 0 à 30 pour cent.

"Puis, le modèle apprendra automatiquement quelles fréquences sont les plus impactées par ce type d'impureté à ce niveau de pourcentage, " Adib dit. " Une fois que nous aurons un nouvel échantillon, dire, 20 pour cent de méthanol, le modèle extrait [les caractéristiques] et les pondère, et vous dit, « Je pense avec une grande précision qu'il s'agit d'alcool avec 20 % de méthanol. »

Élargir les fréquences

Le concept du système dérive d'une technique appelée spectroscopie radiofréquence, qui excite un matériau avec des ondes électromagnétiques sur une large fréquence et mesure les différentes interactions pour déterminer la composition du matériau.

Mais il y avait un défi majeur dans l'adaptation de cette technique pour le système :les étiquettes RFID ne s'allument qu'à une bande passante très étroite oscillant autour de 950 mégahertz. L'extraction de signaux dans cette bande passante limitée n'apporterait aucune information utile.

Les chercheurs se sont appuyés sur une technique de détection qu'ils ont développée plus tôt, appelée excitation à deux fréquences, qui envoie deux fréquences - une pour l'activation, et un pour la détection, pour mesurer des centaines de fréquences supplémentaires. Le lecteur envoie un signal à environ 950 mégahertz pour alimenter l'étiquette RFID. Lorsqu'il s'active, le lecteur envoie une autre fréquence qui balaie une gamme de fréquences d'environ 400 à 800 mégahertz. Il détecte les changements de caractéristiques sur toutes ces fréquences et les transmet au lecteur.

« Face à cette réponse, c'est presque comme si nous avions transformé les RFID bon marché en minuscules spectroscopes à radiofréquence, " dit Adib.

Étant donné que la forme du conteneur et d'autres aspects environnementaux peuvent affecter le signal, les chercheurs travaillent actuellement à s'assurer que le système peut tenir compte de ces variables. Ils cherchent également à étendre les capacités du système pour détecter de nombreux contaminants différents dans de nombreux matériaux différents.

"Nous voulons généraliser à n'importe quel environnement, " dit Adib. " Cela nous oblige à être très robustes, parce que vous voulez apprendre à extraire les bons signaux et à éliminer l'impact de l'environnement de ce qu'il y a à l'intérieur du matériau."