دقیق‌ترین زبان مصنوعی جهان با استفاده از گرافن و هوش مصنوعی، طعم انسان را تقلید می‌کند

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، دانشمندان در یک پیشرفت غیرمنتظره که حس‌گری مصنوعی را به توانایی انسان نزدیک‌تر می‌کند، دستگاهی مبتنی بر گرافن ساخته‌اند که می‌تواند با دقتی نزدیک به انسان مزه‌ها را بچشد.

این سیستم از یادگیری ماشینی برای تفسیر سیگنال‌های شیمیایی و طبقه‌بندی طعم‌ها، حتی طعم‌هایی که قبلاً ندیده است، استفاده می‌کند.

آنچه این اختراع را متمایز می‌کند، توانایی آن در کار در شرایط مرطوب است که برای اولین بار در سیستم‌های چشایی مصنوعی اتفاق می‌افتد.

این ویژگی به آن اجازه می‌دهد تا عملکرد جوانه‌های چشایی واقعی را در دهان انسان بهتر شبیه‌سازی کند.

حس کردن طعم در زمان واقعی

این دستگاه از اکسید گرافن لایه‌ای در یک ساختار نانوسیال ساخته شده است. برخلاف تلاش‌های قبلی، این دستگاه حسگری و محاسباتی را در یک پلتفرم واحد ترکیب می‌کند و سیستم را نسبت به زبان‌های مصنوعی سنتی یکپارچه‌تر می‌سازد.

اکسید گرافن، مانند گرافن خالص، در معرض مواد شیمیایی مختلف واکنش الکتریکی نشان می‌دهد.

این تیم حسگر را با استفاده از سیگنال‌های ۱۶۰ ماده شیمیایی مرتبط با پروفایل‌های طعم رایج آموزش دادند.

این سیگنال‌ها به یک الگوریتم یادگیری ماشینی وارد شدند که حافظه‌ای از چگونگی تغییر رسانایی ماده توسط هر طعم ایجاد می‌کرد.

این رویکرد یادگیری، دقیقاً منعکس‌کننده‌ی نحوه‌ی پردازش سیگنال‌های جوانه‌های چشایی توسط مغز ماست. مدت‌ها تصور می‌شد که انسان‌ها پنج طعم شیرین، شور، تلخ، ترش و اومامی را تشخیص می‌دهند. در سال ۲۰۲۳، دانشمندان طعم ششمی را نیز به آن اضافه کردند: کلرید آمونیوم.

زبان مصنوعی روی چهار طعم اول تمرکز کرد. این زبان توانست مزه‌های قبلاً آموخته‌شده را با دقت حدود ۹۸.۵٪ شناسایی کند. وقتی با ۴۰ طعم جدید آشنا شد، دقت آن بین ۷۵٪ تا ۹۰٪ متغیر بود.

محققان همچنین به آن آموختند که ترکیبات پیچیده‌تری، از جمله ترکیبات موجود در قهوه و کولا، را تشخیص دهد.

نمودار مفهومی که نشان می‌دهد چگونه یک زبان مصنوعی مبتنی بر گرافن با حس کردن سیگنال‌های شیمیایی و پردازش آنها از طریق یک سیستم یادگیری ماشینی، طعم‌های شیرین، شور، ترش و تلخ را از طریق انسان تقلید می‌کند.

لبه الکتریکی گرافن

گرافن خالص برای اولین بار توسط آندره گیم و کوستا نووسلوف در سال ۲۰۰۴ جداسازی شد، شاهکاری که جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۰ را برای آنها به ارمغان آورد. ساختار شبکه‌ای منحصر‌به‌فرد اتم‌های کربن تک لایه آن، خواص الکتریکی، مکانیکی و شیمیایی برجسته‌ای را ارائه می‌دهد.

این حسگر جدید از حساسیت اکسید گرافن به تغییرات شیمیایی بهره می‌برد. این حسگر هنگام قرار گرفتن در معرض ترکیبات طعم‌دهنده، تغییرات جزئی در رسانایی را تشخیص می‌دهد و در صورت ترکیب با یادگیری ماشین، در تشخیص الگو بسیار مؤثر است.

نویسندگان خاطرنشان کردند: «این سیستم پتانسیل آن را دارد که روزی حس چشایی را به افرادی که این توانایی را از دست داده‌اند، بازگرداند.» آنها افزودند که از دست دادن حس چشایی می‌تواند ناشی از سکته مغزی، عفونت‌های ویروسی یا بیماری‌های دژنراتیو باشد.

به سوی کاربرد در دنیای واقعی

این نوآوری، محدودیت عمده سیستم‌های چشایی مصنوعی پیشین، یعنی جداسازی حس کردن و پردازش را برطرف می‌کند. ساختار یکپارچه مدل فعلی، تفسیر سریع‌تر و کارآمدتر داده‌های چشایی را امکان‌پذیر می‌سازد.

با این حال، این دستگاه هنوز در مرحله‌ی اثبات مفهوم است. هنوز برای مصارف مصرفی یا پزشکی بسیار حجیم و پرمصرف است. محققان می‌گویند گام بعدی شامل کوچک‌سازی و بهینه‌سازی مصرف انرژی خواهد بود.

در صورت موفقیت، این حسگر می‌تواند کاربرد‌هایی فراتر از مراقبت‌های بهداشتی، در ایمنی مواد غذایی، کنترل کیفیت و حتی رباتیک، هر جا که تشخیص هوشمند طعم مورد نیاز است، پیدا کند.

این مطالعه در مجله Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است.