英特爾基于大腦嗅覺電路的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機制算法，研發(fā)嗅覺芯片

想象一下，有一天電子產(chǎn)品可以模擬人的大腦識別并區(qū)分氣味，隨時提醒你周圍的氣味異常助你及時了解情況；或是在看電影的時候精確地對應(yīng)屏幕中的畫面聞到相應(yīng)的味道；甚至可以通過平板電腦上配備的氣味按鍵，幫助盲人通過氣味挑選菜品，這種感覺想想都覺得既方便又美妙。

圖像和聲音的網(wǎng)絡(luò)化傳輸多數(shù)人已經(jīng)司空見慣，而氣味是不是也可以進行網(wǎng)絡(luò)化識別傳輸呢？但是氣味無色無形易揮發(fā)，比圖像和聲音要難以琢磨得多，要如何收集并且研究它呢？

▲盲人點菜的時候依據(jù)數(shù)字嗅覺系統(tǒng)聞到菜品味道

一旦氣味也可以加入“數(shù)字化”大軍，我們的生活場景或許將會通過維度的提升，產(chǎn)生意想不到的改變。

實際上繼視覺和聽覺后，近幾年“嗅覺”也的確逐漸成為了數(shù)字化研究者們新的發(fā)力點，除了一些專注于數(shù)字嗅覺的初創(chuàng)公司，谷歌、英特爾、IBM等頭部玩家也將部分目光放在了用AI學(xué)習(xí)識別氣味的領(lǐng)域上，“數(shù)字嗅覺”逐漸成為了AI領(lǐng)域的一個“小熱門”。

那么“數(shù)字嗅覺”到底是什么？

這一概念現(xiàn)在還沒有一個相對官方準確的描述，借用一家初創(chuàng)公司的定義來說，“數(shù)字嗅覺”的意思主要是通過數(shù)字捕捉氣味，以及通過數(shù)字產(chǎn)生香氣。

如今哪些公司正在發(fā)力“數(shù)字嗅覺”領(lǐng)域？數(shù)字如何捕捉到無色無形的氣體？數(shù)字又如何能產(chǎn)生氣味？本文將深扒目前市面上正在發(fā)展的“數(shù)字嗅覺”業(yè)務(wù)，看看“數(shù)字嗅覺”目前的進展和應(yīng)用情況如何。

一、法國數(shù)字嗅覺公司融資1700萬，氣味傳感器是不是巨額智商稅？

Aryballe是一家開發(fā)生化傳感器、光學(xué)器件和人工智能，以收集和分析氣味數(shù)據(jù)的初創(chuàng)公司，總部位于“歐洲硅谷”——法國格勒諾布爾，成立于2014年。

在今年的7月10日，這家初創(chuàng)公司宣布又籌集了700萬歐元（合790萬美元），用于支持產(chǎn)品和機器學(xué)習(xí)的研發(fā)。迄今為止，Aryballe的總?cè)谫Y額達到了1700萬歐元（合1920萬美元），員工數(shù)量也較去年增長了30%。

這家專注于數(shù)字嗅覺的公司正在逐年壯大，也在證明數(shù)字嗅覺領(lǐng)域正在逐漸進入大眾視野。

Aryballe將生物傳感器、先進的光學(xué)技術(shù)和機器學(xué)習(xí)相結(jié)合，捕獲氣味特征，并通過軟件解決方案進行顯示和分析，模擬出大腦識別和區(qū)分氣味的過程。

從2016年開始，Aryballe一直在研發(fā)和迭代一款名為“NeOse”的氣味監(jiān)控設(shè)備，后續(xù)在2018年又推出了升級版“NeOse Pro”。

NeOse的工作過程看起來還算比較簡單。氣味發(fā)出后，NeOse通過內(nèi)置的化學(xué)傳感器和光學(xué)系統(tǒng)來識別這些氣味分子，而后與氣味數(shù)據(jù)庫中的氣味進行比對。經(jīng)過15~30秒后，如果氣味匹配成功，配套的App就會直接給出結(jié)果。

▲NeOse

當(dāng)然，NeOse設(shè)備的數(shù)據(jù)庫不是一成不變的，后續(xù)依舊可以添加不同的氣味數(shù)據(jù)到庫中繼續(xù)進行測試。但據(jù)悉NeOse最初并沒有計劃面向消費者市場，而是專為企業(yè)供貨，這從它每臺設(shè)備的定價在10000到15000美元的價格就能深刻感受到。

升級版的NeOse Pro使用這家公司的O-Cell技術(shù)檢測和識別氣味，以模仿人的嗅覺，但是它的技術(shù)更像是一種“數(shù)字嗅覺指紋”，相較于人的主觀嗅覺更加客觀精準。

NeOse Pro的工作原理相較于NeOse更細致，也更快速。

▲NeOse Pro

有機物和無機物會根據(jù)能量和生物時間過程的變化釋放出氣味分子，當(dāng)能量增加時，會發(fā)生氣味揮發(fā)，鼻腔有可能會順勢吸收異味，這樣的行為會刺激到嗅覺神經(jīng)元，然后刺激嗅球，進而促使嗅覺皮層識別氣味及其來源。

▲生物散發(fā)氣味分子

NeOse Pro和Aryballe的硅光電子平臺會將氣味分子與充當(dāng)嗅球的生物傳感器結(jié)合，并近乎實時地顯示出獨特的氣味信號，一旦檢測到這樣的氣味信號，對應(yīng)的軟件便會將它們與先前收集和分析的氣味數(shù)據(jù)庫中的500多個條目關(guān)聯(lián)起來，解釋這些信號。隨著時間的推移，人工智能和機器學(xué)習(xí)能夠幫助生物傳感器逐漸監(jiān)測到更低濃度的氣味。

▲軟件分析氣味

從以上的工作過程來看，如果把傳感器視為鼻子，那么對應(yīng)的軟件就是大腦，數(shù)據(jù)庫就是我們的記憶存儲庫。

就像我們的大腦依靠記憶將個體的氣味與生活經(jīng)歷關(guān)聯(lián)起來一樣，Aryballe的軟件也是依靠數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)氣味呈現(xiàn)。

不僅如此，就算是遇到了比如檸檬之類水分超多，且稀釋掉一定氣味的物質(zhì)，Aryballe的軟件也能使用AI將“干燥”的氣味分離出來，進而準確呈現(xiàn)出獲取的物體氣味。

▲檸檬味以數(shù)字形式出現(xiàn)

除了NeOse系列，今年的1月7日，Aryballe又宣布推出了一款新的氣味傳感器，這種傳感器相較于之前的產(chǎn)品容量更高、成本更低，靈敏度與NeOse Pro相同，但體積比手機更小，且更耐用。

▲Aryballe新氣味傳感器

此外，這款新產(chǎn)品還建立在硅光子學(xué)平臺上，配備了硅光子生物傳感器，使其具有抗震性，并且減少外部環(huán)境的干擾。

目前我們還不清楚這一新產(chǎn)品的現(xiàn)狀，只知道它的首批樣品已經(jīng)在今年的第二季度交付給客戶了，如果順利的話，不久后我們或許能看到這個更加便攜小巧的氣味傳感器。

那么，Aryballe的氣味傳感器到底有什么用？這樣高價的產(chǎn)品到底是不是為了迎合買家的“好奇心”而收割的一波智商稅？

目前來看，氣味傳感器的應(yīng)用范圍主要還是集中于汽車、智能家電、飲食制造以及個人護理和化妝品行業(yè)。

Aryballe的氣味傳感器在汽車行業(yè)的應(yīng)用最為廣泛。2019年數(shù)字嗅覺汽車聯(lián)盟（DOAC）成立，本意就是為建立汽車行業(yè)氣味測量標準，為嗅覺產(chǎn)品的開發(fā)和服務(wù)提供信息為目標。依靠數(shù)字嗅覺，汽車行業(yè)可以在嗅覺上滿足消費者的個性化需求，控制品牌的“新車氣味”，最重要的是，嗅覺可以成為汽車維護警報的又一重保險，通過氣味，在災(zāi)難性故障之前發(fā)現(xiàn)如液體泄漏等隱患，及時發(fā)出預(yù)警信號或診斷故障。

隨著家電的智能化，氣味傳感器或許將來也會在智能家電方面開始占有一席之地。早在NeOse推出的時候就有人在詢問以后是不是可以用氣味傳感器監(jiān)測冰箱里食物的新鮮度，進行食物儲存監(jiān)控，而如今這一目標幾乎很快就能實現(xiàn)。

除此之外，氣味傳感器甚至還能讓用戶的“廚藝大漲”，比如在烤餅干的時候有一個傳感器能及時提醒你火候到了可以關(guān)火了，那么相信每個人都能成為出色的“廚神”。

在飲料制造以及個人護理和化妝品產(chǎn)業(yè)，數(shù)字嗅覺扮演的則是“監(jiān)工”的角色。數(shù)字嗅覺可以通過制定標準的氣味刻度，來提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時降低成本。與此同時，精準的氣味監(jiān)測還能夠通過數(shù)據(jù)搜尋到新的配方，甚至提供傳統(tǒng)的氣味色板之外的數(shù)據(jù)。

▲氣味色板

以上的用途看起來都還蠻吸引人，可是這動輒上萬美元的報價，也著實是讓人瑟瑟發(fā)抖。

二、氣味王國收集3000多種氣味，氣味播放也能像3D眼鏡一樣人手一個

相對于法國售價高昂的氣味傳感器，要體驗數(shù)字嗅覺，在中國或許劃算得多，但中國的這家數(shù)字嗅覺公司與Aryballe的關(guān)注點略有不同，Aryballe關(guān)注的重點在于捕捉氣味，而這家中國公司則將大量的心思放在了產(chǎn)生氣味之上。

2015年，一位在阿里巴巴美妝板塊有著8年市場推廣經(jīng)歷的高管黃劍煒，創(chuàng)立了氣味王國品牌，以從事數(shù)字氣味的技術(shù)研發(fā)。目的是為了將氣味通過分類、編碼進行數(shù)字化，從而建立一個全面而縝密的“數(shù)字氣味詞典”。

▲氣味王國創(chuàng)始人黃劍煒

氣味王國的技術(shù)與上文提到的借助傳感器實現(xiàn)氣味量化的傳統(tǒng)不同，這家公司的氣味還原技術(shù)分為兩部分：前端檢測和后端編碼。

前端檢測用的是圖像識別方式，通過軟件識別物體后，即可知曉該物體對應(yīng)的氣味成分，由氣味工程師將其氣味調(diào)制還原，接著由后端為其賦予一組對應(yīng)編碼再錄入氣味庫。

由于氣味“虛無縹緲”的特質(zhì)，第一步提取氣味就已經(jīng)是一項復(fù)雜的工程，而截至到今年年初，氣味王國已經(jīng)積累了3000多種氣味，相當(dāng)于人類一般可識別氣味標準的30%，包括日常生活中各種常見的氣味：血腥味、火鍋味……甚至情緒、氛圍的味道都被收集起來了。后續(xù)他們還計劃生成氣味云，直接從云端調(diào)用氣味。

▲在購買香水時聞到氣味

氣味王國并不是單槍匹馬作戰(zhàn)，它在美國洛杉磯還設(shè)立了一間研發(fā)實驗室——S—SRT（Scent Realm Techonlogy），SRT依托伯克利等高等學(xué)府的智囊資源，在氣味王國項目研發(fā)中扮演重要角色。

此外，氣味王國還與中科院的嗅覺實驗室、芝加哥香精香料公司“Orchidia Fragrances”等多個大牛合作，并在成立后一年獲得了A輪融資，當(dāng)時該公司估值已達到1.6億人民幣。而后氣味王國又在2018年獲得了報喜鳥的股權(quán)融資，同年，這家公司已經(jīng)通過快速鋪開的影院氣味設(shè)備盈利了。

在黃劍煒和他的團隊的設(shè)想中，是想通過自家的產(chǎn)品為用戶還原一個特定場景的氣味，比如公園里的桂花香、報紙上的油墨味，還有洗發(fā)水特定的干凈味道。氣味的記憶是獨特的，因此也能在一定程度上幫助企業(yè)建立品牌認知。

從2015年4月開始正式啟動氣味王國項目至今，氣味王國已經(jīng)研發(fā)出了多款數(shù)字氣味產(chǎn)品，包括智能氣味播放器、氣味編輯軟件、氣味時光機、氣味模塊等。

▲X-SCENT 3.0佩戴示意圖

最有趣還數(shù)是氣味王國的氣味播放器，這款名為X-SCENT的播放器已經(jīng)做到了3.0版本，借助這個掛在脖子上的，類似頸椎儀似的儀器，人們可以在看電影的時候同步聞到畫面中的場景氣味。

雖然看電影的時候添加這個設(shè)備只需要再多付10元，但是還是有人會疑惑，普通的4D電影在觀看時通過影院的氣體釋放也能達到氣味匹配畫面的效果，為什么要大費周章使用這么“精致”的氣味播放器呢？

原因在于如果在影院整體釋放氣體，會有氣味殘留、混淆的問題存在，而氣味王國的氣味播放器將有效氣味傳播距離控制在25公分左右，隨著電影的播放，氣味切換可以做到無縫銜接、不混淆。

▲在看電影的時候感受到與畫面同步的氣味

除此之外，氣味王國還自主開發(fā)了新型貯味納米多孔材料及其密閉結(jié)構(gòu)，解決了氣味貯存難題，并且開發(fā)了采用特殊流道設(shè)計的氣味釋放裝置結(jié)構(gòu)使設(shè)備能夠適配于不同的應(yīng)用場景。

為了控制氣味噴出量的適宜，氣味王國還采用了DSP芯片、高分子材料和精密的氣味播放控制系統(tǒng)相結(jié)合的解決方案，通過APP、API等實現(xiàn)設(shè)備在各應(yīng)用場景中對氣味的遠程定時定量播放和控制。

同時，氣味王國把氣味做成膠囊，根據(jù)不同的電影更換氣味膠囊，而后以工業(yè)433M無線傳輸?shù)姆绞娇刂疲淮慰梢圆シ?2種不同的味道。此外，這種氣味播放嚴格控制在毫秒級，因此也不必擔(dān)心吸入大量的氣味顆粒而產(chǎn)生身體不適。

目前，全國已經(jīng)有氣味電影特效廳70多個，氣味電影付費觀影人數(shù)超200萬，杭州西溪濕地、爛蘋果樂園等均已開設(shè)氣味王國的氣味體驗館。

除了氣味播放器，用戶還可以使用氣味王國自研的Scent Magic氣味編輯器自行編輯氣味腳本，創(chuàng)作自己的氣味作品并分享，活脫脫是一款氣味版的“美圖秀秀”。

而氣味時光機、氣味模塊等也以相似的功能，適用于不同的場景。未來，氣味王國還將把數(shù)字嗅覺應(yīng)用變得更加精致化、個性化，以滿足不同領(lǐng)域的需求。

▲在參觀博物館時聞到與展品對應(yīng)的氣味

三、頭部玩家的“數(shù)字嗅覺”大潮：“電子鼻”時代來了？

除了以上提到的兩家專注于“數(shù)字嗅覺”業(yè)務(wù)的初創(chuàng)公司，谷歌、英特爾等頭部玩家在近些年也開始踏足“數(shù)字嗅覺”領(lǐng)域。

1、谷歌團隊使用神經(jīng)圖形網(wǎng)絡(luò)識別、預(yù)測氣味

人類的氣味感知是激活400種不同類型嗅覺受體，其中的百萬分之一的嗅覺感知神經(jīng)元（OSN）將信號發(fā)送到嗅球，然后再發(fā)送到大腦中其他結(jié)構(gòu)的結(jié)果。

一個由化學(xué)、生命科學(xué)和AI研究人員組成的團隊，從去年開始就已經(jīng)著手使用圖形神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來識別氣味分子并預(yù)測氣味。

這項工作是由谷歌、加拿大高級研究學(xué)院、矢量人工智能研究所、多倫多大學(xué)和亞利桑那州大學(xué)的研究人員創(chuàng)建的，他們制造的模型在一項目的為“繪制化學(xué)特性，以預(yù)測受試者的行為反應(yīng)”的“Dream嗅覺預(yù)測挑戰(zhàn)賽”中表現(xiàn)得最好。

研究人員認為，分子識別的機器學(xué)習(xí)應(yīng)用程序的進步，可以幫助人工智能像模仿視聽覺一樣預(yù)測氣味。

這個團隊的科學(xué)家在《arXiv》上發(fā)表的題為《機器學(xué)習(xí)氣味：學(xué)習(xí)小分子的通用感知表示》的論文中寫道，將原子視為節(jié)點，將化學(xué)鍵視為邊緣，則可以將分子解釋為圖形。

類似于AI模仿視覺和聽覺等其他感覺的方式，在這項研究中，氣味小分子通過向量值的形式重復(fù)傳遞，最后將匯總代表整個分子的單個矢量作為已知分子的特征傳遞到網(wǎng)絡(luò)中，因此無需手動操作就可以通過圖形神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GNN）實現(xiàn)直接預(yù)測單個分子的氣味。

▲氣味小分子的傳遞過程

除了預(yù)測氣味描述之外，圖形神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GNN）還可以用于其他嗅覺任務(wù)，比如用僅有的數(shù)據(jù)對新提煉出的氣味進行分類。

就像從色彩中提煉出“三原色”，具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖形是將氣味關(guān)系定量建模的一種合適的方法，在這方面，氣味可以被標記為多個分類標簽，研究人員稱之為“氣味嵌入”。

小氣味分子是香精的最基本組成部分，因此也代表了氣味預(yù)測問題最簡單的形式。但是每個分子可以用多種氣味來描述，比如香蘭素的味道可以被描述成甜味、香草味、奶油味和巧克力味。因為一些事物的某些氣味成分比另一些更多，因此氣味預(yù)測也是一個多標簽分類的問題。

嗅覺深度學(xué)習(xí)的進展將會有助于發(fā)現(xiàn)新的合成增香劑，從而減少從天然作物中提取香料而造成的生態(tài)影響。

此外，經(jīng)過氣味識別任務(wù)訓(xùn)練的模型衍生分子的新形式，還可能有助于加強人類大腦中對一些事物的感知理解。

2、英特爾研發(fā)嗅覺芯片，可識別10種氣味

不止谷歌團隊通過機器學(xué)習(xí)進軍“數(shù)字嗅覺”，在今年的3月份，英特爾和康奈爾大學(xué)發(fā)表的一份聯(lián)合文件也證明了英特爾在Loihi神經(jīng)形態(tài)芯片（專用芯片）上成功設(shè)計了基于大腦嗅覺電路的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機制算法，該算法賦予了芯片在明顯的噪聲和遮蓋情況下，學(xué)習(xí)和識別10種有害物質(zhì)的能力。

Loihi是英特爾在2017年9月推出的自學(xué)習(xí)神經(jīng)形態(tài)芯片，基于14nm的制程工藝，管芯尺寸60毫米，包含超過20億個晶體管、13萬個人工神經(jīng)元和1.3億個突觸，以及三個用于編排的可管理Lakemont內(nèi)核。

▲Loihi，英特爾的神經(jīng)形態(tài)研究芯片

據(jù)英特爾稱，Loihi的信息處理速度是傳統(tǒng)處理器的1000倍，效率高10000倍，并且可以解決某些類型的優(yōu)化問題，其速度和能源效率提升了三個數(shù)量級以上。

此外，Loihi可以保持實時性能，并且在擴展50倍時僅會多消耗30%的功率，而傳統(tǒng)硬件在相同狀況下則會多消耗50%的功率，與廣泛使用的CPU同步定位和映射方法相比，它消耗的電能大約只占傳統(tǒng)方式的百分之一。

據(jù)悉，這一研究成果還發(fā)表在了《自然（Nature）》雜志子刊《自然機器智能（Nature Machine Intelligence）》上，并成為了封面文章。

在Loihi上開發(fā)神經(jīng)算法，就像是在模仿人聞到某種氣味后大腦中發(fā)生的事。研究人員稱，他們采用了一個由72個化學(xué)傳感器活動組成的數(shù)據(jù)集，通過配置生物嗅覺的電路圖來描述如何“教”Loihi聞味道。他們說他們的技術(shù)不會破壞芯片的氣味記憶，并且與以往的傳統(tǒng)方法相比，它的識別精度更高，這種級別的精度需要每級的訓(xùn)練樣本數(shù)量多3000倍才能達到。

▲基于新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法下的Loihi芯片電路板

論文作者，英特爾神經(jīng)形態(tài)計算實驗室高級研究科學(xué)家納比爾·伊瑪姆（Nabil Imam）認為，這項研究將為神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)鋪平道路，該系統(tǒng)將可以診斷疾病、檢測武器和爆炸物，及時發(fā)現(xiàn)麻醉劑、煙霧和一氧化碳之類的有害氣味，并對它們進行甄別。

除了谷歌和英特爾這些科技巨頭，英國和俄羅斯的一些其他公司也在發(fā)力數(shù)字嗅覺。2019年在倫敦巴比肯中心的一次AI展覽中，科學(xué)家們使用機器學(xué)習(xí)重現(xiàn)出了已滅絕花朵的氣味，而俄羅斯的技術(shù)效果與英特爾的很像，也是利用人工智能嗅出可能致命的混合氣體。

甚至早在1999年，DigiScents開發(fā)的iSmell設(shè)備已經(jīng)能通過USB連接到電腦，來重現(xiàn)一些氣味了。

▲iSmell設(shè)備

結(jié)語：數(shù)字嗅覺逐步向個性化、定制化推進

雖然人們目前對嗅覺數(shù)字化的認知度不是很高，但是各大廠商已經(jīng)紛紛發(fā)力這一領(lǐng)域，數(shù)字嗅覺也逐漸成為了AI領(lǐng)域的一個“小熱門”。

無論是將數(shù)字量化用于檢測，還是將氣味提取出來，實現(xiàn)跨時空的嗅覺連接，數(shù)字嗅覺像數(shù)字視聽覺一樣成為了一種趨勢。

從目前的趨勢來看，將嗅覺數(shù)字化已經(jīng)逐漸從面向企業(yè)到面向個人，進而滿足針對企業(yè)和個人更加定制化、個性化的需求。因此在關(guān)注數(shù)字視聽覺的同時，也要了解或許在不久的將來，數(shù)字嗅覺和味覺的地位也同樣不可替代。
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