經濟・社會 - 【創新日本走訪】（14）開發電子舌感測器實現「AI侍酒師」，利用金剛石的物理可用能特性實現一滴液體一分鐘甄別液體

大麴新矢
產業技術綜合研究所感測系統研究中心主任研究員
2022～2024年A-STEP研究負責人

「創新日本走訪」系列採訪那些以實際應用於社會一線為目標的研發現場。第14回介紹產業技術綜合研究所感測系統研究中心的主任研究員大麴新矢，他利用金剛石的物理可用能特性，開發出了一款超高靈敏度的攜帶型「電子舌感測器」，實現用一滴液體一分鐘内甄別出液體資訊的「AI侍酒師」。

利用不會自行溶解的電極
將獲得的液體資訊指紋化

聽說有一款「AI侍酒師」，可以用極少量的樣本在瞬間敏銳感知味道，如同經驗豐富的侍酒師一般，為此我們訪問了位於日本佐賀縣鳥棲市的產業技術綜合研究所（產綜研）感測系統研究中心。「AI侍酒師」的真面目是一款手掌大小的攜帶型超高靈敏度「電子舌感測器」（圖1）。

圖1 產綜研開發的電子舌感測器
目標是讓任何人都能通過簡單的操作快速從少量樣品中獲取液體資訊。感測器前端裝有5毫米見方的金剛石晶片（右）。

感測器的電極採用金剛石，將感測器浸入少量樣品，數據的分析結果便會出現在顯示器上。「隻需將感測器浸入一滴樣品中一分鐘，就可以將液體的資訊指紋化。這並不直接測量液體中的特定成分，而是將液體成為轉換為頻率圖譜信號後進行測量的電化學測量方法。當對液體施加電壓時，位於感測器前端的金剛石電極就會感應到液體產生的氧化還原電流」，顯影器大麴新矢主任研究員介紹說。

這種測量方法之前就已經存在，但會出現感測器本身在測量過程中溶入到液體中，其峰值也被檢測出來的「自溶解反應」。即使是通常被視為穩定物質的金和鉑電極，也會出現這種峰值。「但金剛石具有極高的化學穩定性，絕不會溶解。因此，金剛石電極不會產生成為噪音的背景峰值」，大麴先生強調說。不僅如此，所開發的感測器還具有超高靈敏度，測量電壓範圍也比傳統感測器大幅增加，因此無需使用多個感測器就能檢測出液體之間的細微差異（圖2）。

圖2 傳統型電子舌與使用金剛石電極的電子舌感測器的對比
傳統型電子舌感測器測定範圍小、靈敏度低，需要使用10至20個不同類型的感測器來生成數據，清洗和校對困難所以無法實用。而新開發的電子舌感測器隻需一個感測器即可檢測出液體之間的差異。

走訪50多家企業
通過機器學習與味覺數據相關聯

金剛石是所有物質中最堅硬的。此外，還具有高透光率、高導熱導電性、耐輻射性、化學穩定性等性能。大麴先生從高中起就被金剛石優異的物理性質深深吸引，進入九州大學後，他專注於金剛石晶體成長及其作為半導體材料的研究。同時也讓他感到遺憾的是，目前金剛石的實際應用僅限於工具和寶石，硬度和熱傳導性以外的特性並未得到充分利用。

轉到產綜研後，大麴先生繼續開發利用金剛石物理可用能特性的功率器件和感測器，但並未取得顯著的實際應用成果。轉機出現在2021年，他的研究入選了JST（日本科學技術振興機構）的商業化驗證項目——「SCORE團隊推進型項目」。在該項目中，他們進行了全面的需求評估，並走訪了50多家公司聽取需求。「在走訪過程中，一位在德國專門從事數據科學研究的研究員提出了‘葡萄酒質量檢測有需求’的建議，AI侍酒師構想就以此為契機誕生了」，大麴先生說道。

據調查，全球葡萄酒市場價值約43萬億日元規模。金剛石電極即使暴露在酸或高酒精濃度下也不會發生變化，非常適合用於酒類的測量。自此，大麴先生加快了AI侍酒師的研究進程，目標是通過電子舌感測器測量發酵、熟成度、產地、溫度等不同條件下的酒類資訊，並通過機器學習將其與人類的味覺數據相關聯。隨著研究的深入，讓機器學習葡萄品種的分類，結果顯示同一品種的葡萄會呈現出相似的光譜波形，甚至還可能分辨不同產地之間的差異。

此外研究還發現，感測器的識別結果與熟練侍酒師的味覺評估結果高度一致。大麴先生滿懷期待地表示由於葡萄酒種類繁多，單靠一位侍酒師很難對它們進行統計分類，但通過使用AI侍酒師，就能夠對眾多的葡萄品種和產地進行系統化分類和關聯。他認為該技術不僅適用於葡萄酒，還可以廣泛應用於咖啡、日本清酒、燒酒等領域，從而幫助酒廠將其獨特的風味歸檔保存，為將傳統的味道傳承給後世做出貢獻。

確立大面積高品質的合成技術
將用途擴展到醫療保健和防災領域

為了推進AI侍酒師的實際應用，大麴先生於2022年申請了A-STEP產學合作（培育型），項目並成功入選。為了開發出小型便攜且易於操作的設備，他與佐賀大學工學部的機器學習專家上田俊副教授合作，推進開發一種更接近人類感官的演算法。

在推進研究的過程中，他們把目標制定在開發出無需清洗、一次性使用的感測器部件，以便任何人都能輕鬆獲取液體數據上。為了實現這一目標，需要大幅降低電極部分的成本，為此他們採用了可以大面積生產均勻且高品質金剛石晶片的「熱絲CVD法」。本文開篇圖片中，大麴先生手中拿著的就是在12英吋基底層上形成的金剛石薄膜。

在進行這些研發工作的同時，2022年7月，孵化於產綜研的初創企業「ExtenD」成立，大麴先生就任董事兼首席技術官。他介紹說，公司名稱包含了「拓展金剛石可能性」的含義。目前，該公司已經與多家造酒企業簽訂了感官檢測合同，並接到了大型飲料公司的感測器訂單。

大麴先生和他的團隊不隻希望在酒類的真偽鑑定和品質保證方面發展業務。如果這種感測器能夠廣泛普及，還有望應用於檢測人和寵物的血液和尿液等用途。此外，還可以應用於河流水質監測，當因暴雨等情況導致水質發生變化時，感測器可以發出警報，進而實現防災目的。大麴先生表示，對未來拓展電子舌感測器的應用前景充滿期待（圖3）。（TEXT：森部信次、PHOTO：石原秀樹）