大曲 新矢
产业技术综合研究所 传感系统研究中心 主任研究员
2022～2024年A-STEP研究负责人
“创新日本走访” 系列采访那些以实际应用于社会一线为目标的研发现场。第14回介绍产业技术综合研究所传感系统研究中心的主任研究员大曲新矢，他利用金刚石的物理特性，开发出了一款超高灵敏度的便携式“电子舌传感器”，实现用一滴液体一分钟内甄别出液体信息的“AI侍酒师”。
利用不会自行溶解的电极
将获得的液体信息指纹化
听说有一款“AI侍酒师”，可以用极少量的样本在瞬间敏锐感知味道，如同经验丰富的侍酒师一般，为此我们访问了位于日本佐贺县鸟栖市的产业技术综合研究所（产综研）传感系统研究中心。“AI侍酒师”的真面目是一款手掌大小的便携式超高灵敏度“电子舌传感器”（图1）。
图1 产综研开发的电子舌传感器
目标是让任何人都能通过简单的操作快速从少量样品中获取液体信息。传感器前端装有5毫米见方的金刚石芯片（右）。
传感器的电极采用金刚石，将传感器浸入少量样品，数据的分析结果便会出现在显示器上。“只需将传感器浸入一滴样品中一分钟，就可以将液体的信息指纹化。这并不直接测量液体中的特定成分，而是将液体成为转换为频谱信号后进行测量的电化学测量方法。当对液体施加电压时，位于传感器前端的金刚石电极就会感应到液体产生的氧化还原电流”，开发者大曲新矢主任研究员介绍说。
这种测量方法之前就已经存在，但会出现传感器本身在测量过程中溶入到液体中，其峰值也被检测出来的“自溶解反应”。即使是通常被视为稳定物质的金和铂电极，也会出现这种峰值。“但金刚石具有极高的化学稳定性，绝不会溶解。因此，金刚石电极不会产生成为噪音的背景峰值”，大曲先生强调说。不仅如此，所开发的传感器还具有超高灵敏度，测量电压范围也比传统传感器大幅增加，因此无需使用多个传感器就能检测出液体之间的细微差异（图2）。
图2 传统型电子舌与使用金刚石电极的电子舌传感器的对比
传统型电子舌传感器测量范围小、灵敏度低，需要使用10至20个不同类型的传感器来生成数据，清洗和校对困难所以无法实用。而新开发的电子舌传感器只需一个传感器即可检测出液体之间的差异。
走访50多家企业
通过机器学习与味觉数据相关联
金刚石是所有物质中最坚硬的。此外，还具有高透光率、高导热导电性、耐辐射性、化学稳定性等性能。大曲先生从高中起就被金刚石优异的物理性质深深吸引，进入九州大学后，他专注于金刚石晶体生长及其作为半导体材料的研究。同时也让他感到遗憾的是，目前金刚石的实际应用仅限于工具和宝石，硬度和热传导性以外的特性并未得到充分利用。
转到产综研后，大曲先生继续开发利用金刚石物理特性的功率器件和传感器，但并未取得显著的实际应用成果。转机出现在2021年，他的研究入选了JST（日本科学技术振兴机构）的商业化验证项目——“SCORE团队推进型项目”。在该项目中，他们进行了全面的需求评估，并走访了50多家公司听取需求。 “在走访过程中，一位在德国专门从事数据科学研究的研究员提出了‘葡萄酒质量检测有需求’的建议，AI侍酒师构想就以此为契机诞生了”，大曲先生说道。
据调查，全球葡萄酒市场价值约43万亿日元规模。金刚石电极即使暴露在酸或高酒精浓度下也不会发生变化，非常适合用于酒类的测量。自此，大曲先生加快了AI侍酒师的研究进程，目标是通过电子舌传感器测量发酵、熟成度、产地、温度等不同条件下的酒类信息，并通过机器学习将其与人类的味觉数据相关联。随着研究的深入，让机器学习葡萄品种的分类，结果显示同一品种的葡萄会呈现出相似的光谱波形，甚至还可能分辨不同产地之间的差异。
此外研究还发现，传感器的识别结果与熟练侍酒师的味觉评估结果高度一致。大曲先生满怀期待地表示由于葡萄酒种类繁多，单靠一位侍酒师很难对它们进行统计分类，但通过使用AI侍酒师，就能够对众多的葡萄品种和产地进行系统化分类和关联。他认为该技术不仅适用于葡萄酒，还可以广泛应用于咖啡、日本清酒、烧酒等领域，从而帮助酒厂将其独特的风味归档保存，为将传统的味道传承给后世做出贡献。
确立大面积高品质的合成技术
将用途扩展到医疗保健和防灾领域
为了推进AI侍酒师的实际应用，大曲先生于2022年申请了A-STEP产学合作（培育型），项目并成功入选。为了开发出小型便携且易于操作的设备，他与佐贺大学工学部的机器学习专家上田俊副教授合作，推进开发一种更接近人类感官的算法。
在推进研究的过程中，他们把目标制定在开发出无需清洗、一次性使用的传感器部件，以便任何人都能轻松获取液体数据上。为了实现这一目标，需要大幅降低电极部分的成本，为此他们采用了可以大面积生产均匀且高品质金刚石芯片的“热丝CVD法”。本文开篇图片中，大曲先生手中拿着的就是在12英寸基板上形成的金刚石薄膜。
在进行这些研发工作的同时，2022年7月，孵化于产综研的初创企业“ExtenD”成立，大曲先生就任董事兼首席技术官。他介绍说，公司名称包含了“拓展金刚石可能性”的含义。目前，该公司已经与多家造酒企业签订了感官检测合同，并接到了大型饮料公司的传感器订单。
大曲先生和他的团队不只希望在酒类的真伪鉴定和质量保证方面发展业务。如果这种传感器能够广泛普及，还有望应用于检测人和宠物的血液和尿液等用途。此外，还可以应用于河流水质监测，当因暴雨等情况导致水质发生变化时，传感器可以发出警报，进而实现防灾目的。大曲先生表示，对未来拓展电子舌传感器的应用前景充满期待（图3）。（TEXT：森部信次、PHOTO：石原秀树）
图3 预期的应用领域
通过电子舌传感器，有望确立能够轻松感知周围液体信息的技术。通过将收集到的数据用作大数据，还有望应用于更广泛的领域。
原文：JSTnews 2024年9月号
翻译：JST客观日本编辑部
