ARM与高校联合研制基于机器学习的柔性传感器

ARM联合多家公司及高校共同研发基于机器学习的塑料柔性传感器，用于检测气味，旨在简化设计、将柔性传感器成本降至最低，最终用于食品、服装等消费品。

体味是个顽固性问题。不仅对人类如此，对传感器亦然。传感器及与之相关的计算很难像人类那样觉察腋臭，因为体味其实就是多种气体化学物质的复杂混合物。英国的“塑料腋窝”项目（PlasticArmPit）正在设计首款基于机器学习的柔性塑料传感器芯片。它的目标受众是那些认为自己可能有臭味的人。原型芯片将在 2019 年制造和测试。

该项目是全球领先的半导体知识产权提供商英国ARM公司一项大工作的组成部分。该公司正致力于将塑料物联网设备的成本降至0.01美元以下，使其能嵌入所有消费品，包括一次性用品。

塑料芯片将拥有传感器阵列、定制的机器学习处理器、以及端口。所有这些组件都将集成在一张薄薄的塑料膜上，但目前传感器阵列还是在单独的塑料件上。以后还可能将电池和显示器集成到该设备中。研发团队包含了ARM公司，设计机器学习电路并开发便于他人开展这些设计的工具；全球柔性电子产品供应商PragmatIC，制造基于非晶氧化物的柔性电子器件、近场通信（NFC）芯片、非接触式射频识别（RFID）芯片、以及构建它们的系统；英国曼彻斯特大学（University of Manchester），研发塑料气体传感技术和构建人类嗅觉感知模型；联合利华公司（Unilever），提供消费产品专业知识和其位于英国的味道测试实验室。

传感器阵列是由化学修饰的有机半导体制成的一组场效应晶体管。“我们在设备内调试该材料，使其能对不同的气体分析物作出响应。”传感器阵列的研发者、曼彻斯特大学的研究人员指出。气体结合到晶体管的半导体沟道，就会改变设备的性能特征。

每个设备有八种不同类型的传感器。但每一种并不是只对一种化学物质有特异性。相反地，每一种传感器都对一组化学物质内的分子谱进行响应，研究人员解释道。由机器学习系统解析的各传感器集成反应才说明了是否腋臭太强烈已经散发出来了。

要进行这样的解析，需要一种不同的机器学习系统。“我们必须要忘记所有的机器学习知识。”ARM公司的研究人员表示。近来，深度学习吸引了机器学习圈的大部分注意力，但是这种技术并不完全适合柔性电子系统。虽然塑料电子有望比硅便宜得多，但它们能容纳的晶体管数量有限，因为这类晶体管要大得多。由于可以利用的逻辑门不到1000个，ARM公司需要找到规模大幅下降的分类器电路。该公司研究人员找到了一种基于朴素贝叶斯分类器的机器学习。这种分类器现在并不流行，因为它不如深度学习那样擅长解读图像，研究人员解释说。他还指出，虽然朴素贝叶斯分类器比深度学习要简单得多，但是也需要“大量的工作”来让朴素贝叶斯分类器适应数量有限的逻辑门。

将体味（而不是其他没这么臭的气味）纳入这个项目是联合利华的提议。但这项技术也可以用于识别食物新鲜度，可能有助于降低食品浪费。根据联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations），2016年共有13亿吨食物被丢弃或浪费，数量惊人，其中块根作物、水果和蔬菜占40%到50%，鱼类占35%。食品包装上的一次性塑料传感器和机器学习电路可以消除食品店的猜测，不再只是提供“最佳食用”日期，从而降低浪费。

感知新鲜度可能比分辨难闻的腋窝与化学武器级别的腋臭更难。“臭鱼的味道和坏了的汉堡、牛奶不一样。”ARM公司的研究人员表示。电路有限，所以每种“鼻嗅”应用的设计都不同。

如果柔性电路和传感器便宜得可以用做一次性，那这些设计就要构想简单。但是目前还没有做到这一点。研究人员类比了二十世纪七十年代硅芯片设计中的柔性芯片设计状态。换言之，进展缓慢且需要大量的专业知识。所以，ARM研究团队开发出了设计自动化工具，将用Python代码写的机器学习算法转变为能直接发送到PragmatIC柔性芯片工厂的电路设计。“它是吐出应用特异性分类器的硬件生产器。”研究人员说。使用这一新的设计工具，能够让没有具体机器学习经验的工程师轻松地制造出新的分类器电路。如果你想感知苹果的新鲜度而不是番茄的新鲜度，“你只用再按下按钮。”这种“按按钮”设计是美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA）15亿美元“电子复兴计划”（Electronics Resurgence Initiative）的主要目标之一。

PragmatIC公司正致力于让硅集成电路工程师尽可能地熟悉这个过程。“我们不想在不必要标新立异的地方标新立异。”该公司表示。他们已经在英国的塞德菲尔德（Sedgefield）部署了一条生产线，大部分采用标准芯片制造设备来移动已施加了柔性塑料薄膜的玻璃晶片。塑料上已构建了基于非晶氧化物薄膜晶体管的电路，被切成塑料“柔性集成电路”（FlexIC），并从玻璃上剥落。随后玻璃又带着一张新的塑料片回到系统。据该公司，塞德菲尔德工厂的设施可以每年制造10亿个柔性集成电路。

这家60人的公司宣城已经开发出了“盒子里的工厂”，即一间设备齐全的无尘室，容纳了完整的柔性集成电路生产线。该公司预计，系统的成本会足够低，可以用于最终用户的生产线。如果这些都能成功，我们可能有一天买到的T恤会带有两个塑料的臭味探测器，它们在服装制造商工厂设计、制造和装配，一站完成。