Από τις τσάντες «μαϊμού» μέχρι τα πλαστά φάρμακα και ολοκληρωμένα κυκλώματα, τα προϊόντα απομίμησης έχουν εξελιχθεί σε σοβαρό πρόβλημα για πολλές βιομηχανίες -ειδικά όταν η απομίμηση δύσκολα ξεχωρίζει από το γνήσιο με γυμνό μάτι. Ερευνητές του Πανεπιστημίου Πατρών έφτασαν πιο κοντά στη λύση με ένα σύστημα λέιζερ που χαράσσει σε αντικείμενα μικροσκοπικές, μοναδικές ετικέτες γνησιότητας, οι οποίες είναι αδύνατο να αντιγραφούν ακόμα και από τον δημιουργό τους.

Η μέθοδος αξιοποιεί το γεγονός ότι το λέιζερ δημιουργεί κουκκίδες με τυχαίες ατέλειες, οι οποίες δίνουν μια μοναδική υπογραφή οπτικού θορύβου. Η πιθανότητα να επαναλάβει κανείς το σχέδιο, ακόμα κι αν χρησιμοποιήσει τον ίδιο εξοπλισμό, είναι μία στο ένα εκατομμύριο δισεκατομμύρια (10^-15), αναφέρουν οι ερευνητές.

Η μελέτη τους δημοσιεύεται στο Scientific Reports, έκδοση του ομίλου Nature.

Η τεχνική αποτελεί μια νέα προσέγγιση στην τεχνολογία των PUF (Physical Unclonable Functions), η οποία αφορά τη δημιουργία μοναδικών, μη αντιγράψιμων αναγνωριστικών, και χρησιμοποιείται ήδη στη βιομηχανία ημιαγωγών για τον έλεγχο γνησιότητας των τσιπ. Η νέα πρόταση μπορεί να εφαρμοστεί σε ένα εύρος υλικών. «Και έχει το πλεονέκτημα ότι μπορεί να προστεθεί εύκολα στη γραμμή παραγωγής με χαμηλό κόστος» αναφέρει ο επικεφαλής της μελέτης δρ Δημήτρης Αλεξανδρόπουλος, επίκουρος καθηγητής του Τμήματος Επιστήμης Υλικών.

To λέιζερ δημιουργεί ένα μικροσκοπικό μοτίβο από κουκκίδες (Α. Anastasiou et al. / Scientific Reports)

Ο χρήστης μπορεί να αναγνωρίσει τη μοναδική υπογραφή με φορητό σαρωτή λέιζερ. Στη συνέχεια η μέτρηση συγκρίνεται με τις καταχωρίσεις στο αρχείο του κατασκευαστή για την επιβεβαίωση της γνησιότητας.

Tα PUF βασίζονται σε φαινόμενα ή διαδικασίες που δεν μπορούν πρακτικά να επαναληφθούν επειδή επηρεάζονται από απρόβλεπτους εξωτερικούς παράγοντες. «Φανταστείτε για παράδειγμα ότι φτερνίζεστε: τα σταγονίδια σχηματίζουν ένα σχέδιο που είναι αδύνατον να επαναλάβεις όσο κι αν προσπαθήσεις» αναφέρει ως παράδειγμα ο δρ Αλεξανδρόπουλος. «Με αυτόν τον τρόπο λειτουργούσε άλλη μορφή PUF που αναπτύχθηκε για την ταυτοποίηση πυρηνικών όπλων. Το όπλο ψεκαζόταν με ένα μελάνι που περιείχε νανοσωματίδια και άφηνε μόνιμα σταγονίδια, τα οποία γίνονται ορατά με ένα ειδικό φως. Δεν μπορείς να αντιγράψεις την τυχαιότητα μιας τέτοιας διαδικασίας. Είναι στοχαστική».

Ανεπανάληπτα μοτίβα

Στη συγκεκριμένη περίπτωση, η τυχαιότητα προκύπτει από τον τρόπο που η ακτίνα λέιζερ αλληλεπιδρά με την επιφάνεια του υλικού για να δημιουργήσει ένα μοτίβο από κουκκίδες. «Η επιφάνεια λιώνει και μετά επαναστερεοποιείται και αφήνει ένα σημάδι με μοναδικά χαρακτηριστικά» εξηγεί ο δρ Αλεξανδρόπουλος. Μάλιστα, για να επιτευχθεί αυτό το αποτέλεσμα οι ερευνητές χρησιμοποίησαν λέιζερ βιομηχανικού τύπου, τα οποία ανάβουν σε παλμούς μερικών νανοδευτερολέπτων, ή δισεκατομμυριοστών του δευτερολέπτου, και αφήνουν ορατές ατέλειες. «Τα περισσότερα εργαστήρια σήμερα χρησιμοποιούν πιο σύγχρονα λέιζερ με παλμούς femptosecond ή picosecond που αφήνουν καθαρές τομές» λέει ο ερευνητής.

Εικόνες ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης δείχνουν ότι κάθε κουκκίδα είναι μοναδική (Α. Anastasiou et al. / Scientific Reports)

Το πρόβλημα με τα PUF αυτού του είδους είναι ότι η τυχαιότητα επηρεάζει όχι μόνο την εγγραφή αλλά και την ανάγνωση, δημιουργώντας πρόβλημα αξιοπιστίας στις μετρήσεις που επιβεβαιώνουν τελικά τη γνησιότητα. «Ακόμα και σε μια φωτοτράπεζα, απολύτως σταθερή και με ελεγχόμενες περιβαλλοντικές συνθήκες, η μέτρηση δεν είναι ποτέ η ίδια» επισημαίνει ο επικεφαλής της μελέτης.

Το πρόβλημα όμως μπορεί να ξεπεραστεί. Σύμφωνα με τον δρα Κωνσταντίνο Μουστάκα, καθηγητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, «ο δημιουργός της υπογραφής μετρά 11 διαφορετικές παραμέτρους όπως ο αριθμός και η απόσταση των κουκκίδων, απόκριση σε μη γραμμικά φίλτρα επεξεργασίας εικόνας καθώς και στατιστικές ιδιότητές τους». Οι επόμενες μετρήσεις θα αποκλίνουν σε κάποιες παραμέτρους, όμως η γνησιότητά τους μπορεί να ελεγχθεί χάρη σε αλγόριθμο, ο οποίος έχει ομαδοποιήσει όλες τις μετρήσεις σε έναν χώρο 11 διαστάσεων και αποφασίζει αν η μέτρηση ανήκει σε αυτόν τον χώρο, εξηγούν οι ερευνητές. Ο δρ Μουστάκας επισημαίνει ότι «ο συνδυασμός προηγμένων τεχνικών υπολογιστικής όρασης και μηχανικής μάθησης και νέων τεχνικών στην περιοχή της φωτονικής δείχνει ότι μπορεί να αποτελέσει τη διεπιστημονική βάση για πρωτοποριακές τεχνικές και ερευνητικά αποτελέσματα με άμεση εφαρμογή».

Η τεχνική ελέγχου γνησιότητας προϊόντων έχει εφαρμοστεί μέχρι στιγμής σε επιφάνειες πυριτίου και αργύρου και θα μπορούσε να επεκταθεί σε άλλα ανακλαστικά υλικά, συμπεριλαμβανομένων των σύνθετων υλικών, ενώ βρίσκεται εν εξελίξει η εφαρμογή της προτεινόμενης μεθόδου για την ασφάλεια φαρμάκων.Επιπλέον, οι ερευνητές σχεδιάζουν να αξιοποιήσουν την ιδέα σε μια άλλη εφαρμογή που απαιτεί μη προβλέψιμες μετρήσεις, τις γεννήτριες τυχαίων αριθμών για κρυπτογραφικές εφαρμογές.

Εκτός από τον δρα Δημήτρη Αλεξανδρόπουλο και τον Κωνσταντίνο Μουστάκα, τη μελέτη υπογράφουν ακόμα οι Αγγελική Αναστασίου και Αναστάσιος Τσάκας (του Τμήματος Επιστήμης Υλικών) και η Ευαγγελία Ζαχαράκη (του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών).