The quest to explore the properties of complex liquids beyond the capabilities of conventional analytical chemistry has driven the development of electronic tongue systems. Inspired by the human sense of taste, researchers have achieved unprecedented success in addressing intricate sensing challenges. Yet, much of the focus has been on applicationoriented systems designed to meet specific needs through the tailored combination of selective sensors. The advent of cross-sensitive sensor arrays has drastically shifted this paradigm. Recent advances in materials science, electronics, and machine learning methods hold promise for the seamless integration of low-selective, highly cross-sensitive systems in electronic tongue technologies. This dissertation provides novel insights into the infusion of intelligence into such potentiometric chemical sensor arrays, unlocking unexplored methods and functionalities that enhance their potential for deployment outside of laboratory settings. Specifically, data-driven methodologies are proposed and applied to a model system consisting of a miniaturized sensor array with minimal hardware components, leading to a portable electronic tongue prototype. The reconfigurability, portability, and versatility of this system are demonstrated across various use cases, including the quantification of major constituents in complex liquids, the identification of commercial liquid products, the estimation of human sensory perception of beverages, and the detection of adulterated food samples. The results highlight how portable electronic tongues, supported by advanced data-driven approaches, accelerate the chemical analysis of complex liquids by teaching sensors how to "taste." Additionally, recent advances in machine learning and artificial intelligence (AI) are applied to the field of chemical sensing, demonstrating how sensor array design can be informed by data rather than theoretical models. AI foundation models are shown to enhance sensor performance through transfer learning in data-scarce scenarios. Ultimately, by integrating these concepts into a portable sensor development kit, this research promotes the democratization of electronic tongue technology, bringing it closer to end-users for personalized chemical sensing applications.

Gabrieli, G. (2024). Data-driven multi-sensor technology for AI-assisted chemical sensing [10.58015/gabrieli-gianmarco_phd2024].

Data-driven multi-sensor technology for AI-assisted chemical sensing

GABRIELI, GIANMARCO
2024-01-01

Abstract

The quest to explore the properties of complex liquids beyond the capabilities of conventional analytical chemistry has driven the development of electronic tongue systems. Inspired by the human sense of taste, researchers have achieved unprecedented success in addressing intricate sensing challenges. Yet, much of the focus has been on applicationoriented systems designed to meet specific needs through the tailored combination of selective sensors. The advent of cross-sensitive sensor arrays has drastically shifted this paradigm. Recent advances in materials science, electronics, and machine learning methods hold promise for the seamless integration of low-selective, highly cross-sensitive systems in electronic tongue technologies. This dissertation provides novel insights into the infusion of intelligence into such potentiometric chemical sensor arrays, unlocking unexplored methods and functionalities that enhance their potential for deployment outside of laboratory settings. Specifically, data-driven methodologies are proposed and applied to a model system consisting of a miniaturized sensor array with minimal hardware components, leading to a portable electronic tongue prototype. The reconfigurability, portability, and versatility of this system are demonstrated across various use cases, including the quantification of major constituents in complex liquids, the identification of commercial liquid products, the estimation of human sensory perception of beverages, and the detection of adulterated food samples. The results highlight how portable electronic tongues, supported by advanced data-driven approaches, accelerate the chemical analysis of complex liquids by teaching sensors how to "taste." Additionally, recent advances in machine learning and artificial intelligence (AI) are applied to the field of chemical sensing, demonstrating how sensor array design can be informed by data rather than theoretical models. AI foundation models are shown to enhance sensor performance through transfer learning in data-scarce scenarios. Ultimately, by integrating these concepts into a portable sensor development kit, this research promotes the democratization of electronic tongue technology, bringing it closer to end-users for personalized chemical sensing applications.
2024
2024/2025
Ingegneria elettronica
37.
La ricerca per esplorare le proprietà dei liquidi complessi oltre le capacità della chimica analitica convenzionale ha stimolato lo sviluppo di sistemi denominati "lingue elettroniche". Ispirati dal senso del gusto umano, i ricercatori hanno ottenuto successi senza precedenti nell’affrontare sfide di analisi chimica intricate. Tuttavia, nella letteratura, gran parte dell’attenzione si è concentrata su sistemi orientati all’applicazione, progettati per soddisfare esigenze specifiche attraverso la combinazione mirata di sensori selettivi. L’avvento di array di sensori a sensibilità incrociata ha drasticamente cambiato questo paradigma. I progressi recenti nell’ambito delle scienze dei materiali, dell’elettronica e dei metodi di machine learning offrono prospettive promettenti per l’integrazione fluida di sistemi a bassa selettività e alta sensibilità incrociata nelle tecnologie di lingua elettronica. Questa dissertazione fornisce nuove intuizioni sull’infusione di intelligenza in tali array di sensori chimici potenziometrici, svelando metodi e funzionalità inesplorati che ne permettono l’applicazione al di fuori dei laboratori. In particolare, vengono proposte e applicate metodologie basate sui dati ad un modello di sistema costituito da un array di sensori miniaturizzato con componenti hardware minimi, portando alla realizzazione di un prototipo di lingua elettronica portatile. La riconfigurabilità, la portabilità e la versatilità di questo sistema vengono dimostrate attraverso vari casi d’uso, tra cui la quantificazione dei principali costituenti di liquidi complessi, l’identificazione di prodotti liquidi commerciali, la stima della percezione sensoriale umana delle bevande e il rilevamento di campioni alimentari adulterati. I risultati evidenziano come le lingue elettroniche portatili, supportate da approcci avanzati basati sui dati, accelerino l’analisi chimica dei liquidi complessi insegnando ai sensori a "gustare". Inoltre, i progressi recenti nell’apprendimento automatico e nell’intelligenza artificiale (IA) sono applicati al campo del rilevamento chimico, dimostrando come la progettazione di array di sensori possa essere informata dai dati piuttosto che da modelli teorici. I modelli fondamentali dell’IA si dimostrano in grado di migliorare le prestazioni dei sensori attraverso l’apprendimento per trasferimento in scenari con pochi dati. Infine, integrando questi concetti in un kit di sviluppo per sensori portatili, questa ricerca promuove la democratizzazione della tecnologia della lingua elettronica, avvicinandola agli utenti finali per applicazioni personalizzate di rilevamento chimico.
Settore IIET-01/A - Elettrotecnica
English
Tesi di dottorato
Gabrieli, G. (2024). Data-driven multi-sensor technology for AI-assisted chemical sensing [10.58015/gabrieli-gianmarco_phd2024].
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