Было предпринято много попыток предотвратить эту подделку с помощью отслеживания этикеток, но ни одна из них не оказалась эффективной; помимо прочего, такие этикетки были уязвимы для взлома из-за детерминированного характера их систем кодирования. Но теперь команда исследователей Массачусетского технологического института разработала своего рода крошечную биоразлагаемую метку, которую можно наносить непосредственно на сами семена и которая обеспечивает уникальный случайно созданный код, который невозможно скопировать.

Новая система, в которой используются крошечные точки материала на основе шелка, каждая из которых содержит уникальную комбинацию различных химических сигнатур, описана сегодня в журнале Научные достижения в статье декана инженерного факультета Массачусетского технологического института Ананты Чандракасан, профессора гражданского строительства и экологической инженерии Бенедетто Марелли, постдока Хуэй Суна и аспиранта Саурава Маджи.

Исследователи отмечают, что проблема контрафакции огромна во всем мире и затрагивает все - от лекарств до предметов роскоши, и для борьбы с ней было разработано множество различных систем. Но в области сельского хозяйства этой проблеме уделяется меньше внимания, хотя последствия могут быть серьезными. Например, в странах Африки к югу от Сахары, по оценкам Всемирного банка, поддельные семена являются важным фактором повышения урожайности сельскохозяйственных культур, которая в среднем составляет менее одной пятой от потенциальной для кукурузы и менее одной трети для риса.

Марелли объясняет, что ключом к новой системе является создание случайно созданного физического объекта, точный состав которого практически невозможно воспроизвести. Этикетки, которые они создают, "используют случайность и неопределенность в процессе нанесения, чтобы генерировать уникальные сигнатурные признаки, которые можно прочитать и которые нельзя воспроизвести", - говорит он.

Сан добавляет: "То, с чем они имеют дело, - это очень старая работа, заключающаяся в том, чтобы, по сути, не допустить кражи ваших вещей. И вы можете стараться сколько угодно, но в конце концов всегда найдется кто-нибудь достаточно умный, чтобы понять, как это сделать, так что на самом деле нет ничего нерушимого. Но идея в том, что воспроизвести это почти невозможно, если вообще возможно, или это требует столько усилий, что оно того больше не стоит".

Идея "неклонируемого" кода изначально была разработана как способ защиты подлинности компьютерных чипов, объясняет Чандракасан, который является профессором электротехники и компьютерных наук Ванневара Буша. "В интегральных схемах отдельные транзисторы обладают несколько иными свойствами, чем вариации устройств, - объясняет он, - и затем вы могли бы использовать эту изменчивость и комбинировать ее со схемами более высокого уровня, чтобы создать уникальный идентификатор для устройства. И как только у вас это будет, вы сможете использовать этот уникальный идентификатор как часть протокола безопасности. Что-то вроде вариабельности транзисторов трудно воспроизвести от устройства к устройству, так что это то, что придает ему уникальность, в отличие от хранения определенного фиксированного идентификатора ". Концепция основана на так называемых физически неклонируемых функциях, или PUF.

Команда решила попробовать применить этот принцип PUF к проблеме поддельных семян, и использование протеинов шелка было естественным выбором, потому что материал не только безвреден для окружающей среды, но и классифицирован Управлением по контролю за продуктами питания и лекарствами в категории "общепризнанно безопасный", поэтому он не требует никаких химических добавок. специальное разрешение на использование в пищевых продуктах.

"Вы могли бы покрыть им семена, - говорит Маджи, - и если вы синтезируете шелк определенным образом, у него также будут естественные случайные вариации. Так вот в чем идея: каждое семечко или каждый пакетик могли бы иметь уникальную подпись".

Разработка эффективных защищенных системных решений долгое время была одной из специализаций Chandrakasan, в то время как Marelli потратила много лет на разработку систем для нанесения шелковых покрытий на различные фрукты, овощи и семена, поэтому их сотрудничество было естественным для разработки такой системы кодирования на основе шелка для повышения безопасности.

"Проблема заключалась в том, какой форм-фактор придать шелку, - говорит Сан, - чтобы его можно было очень легко изготовить". Они разработали простой метод литья по капле, который позволяет получать метки диаметром менее одной десятой дюйма. Вторая задача состояла в том, чтобы разработать "способ, с помощью которого мы могли бы считывать уникальность, при этом с очень высокой пропускной способностью и простым способом".

Что касается уникальных кодов на основе шелка, Марелли говорит: "В конце концов мы нашли способ придать цвет этим микрочастицам, чтобы они собирались в случайные структуры". Полученные уникальные узоры можно считывать не только с помощью спектрографа или портативного микроскопа, но даже с помощью обычной камеры мобильного телефона с макрообъективом. Это изображение может быть обработано локально для генерации PUF-кода, а затем отправлено в облако и сравнено с защищенной базой данных, чтобы убедиться в подлинности продукта. "Это случайно, так что люди не могут легко воспроизвести это", - говорит Сан. "Люди не могут предсказать это, не измерив".

И количество возможных перестановок, которые могут возникнуть в результате того, как они смешивают четыре основных типа цветных наночастиц шелка, просто астрономическое. "Мы смогли показать, что с минимальным количеством шелка мы смогли сгенерировать 128 случайных бит защиты", - говорит Маджи. "Таким образом, это приводит к 2 в степени 128 возможных комбинаций, которые чрезвычайно трудно взломать, учитывая вычислительные возможности самых современных вычислительных систем".

Марелли говорит, что "для нас это хороший испытательный стенд для того, чтобы мыслить нестандартно и как мы можем выбрать путь, который каким-то образом будет более демократичным". В данном случае это означает "что-то, что вы можете буквально прочитать с помощью своего телефона, и что вы можете изготовить, просто отливая раствор, без использования какой-либо передовой технологии производства, не заходя в чистую комнату".

По словам Чандракасана, потребуется некоторая дополнительная работа, чтобы сделать это практичным коммерческим продуктом. "Необходимо разработать технологию масштабного чтения" с помощью смартфонов. "Итак, это явно будущая возможность". Но теперь принцип показывает четкий путь к тому дню, когда "фермер мог бы, по крайней мере, может быть, не каждое семя, но, возможно, мог бы взять несколько случайных семян из определенной партии и проверить их", - говорит он.

Исследование было частично поддержано Управлением военно-морских исследований США и Национальным научным фондом, компанией Analog Devices Inc., стипендией EECS Mathworks и профессорской стипендией Пола М. Кука по развитию карьеры.