Нос для робота: зачем ученые пытаются научить технику распознавать запахи

В наших домах и в наших карманах есть электроника, которая может слышать, видеть и ощущать наши прикосновения. Ваш смартфон, вероятно, выполняет все три функции. Однако ему не хватает технологии, которая может чувствовать запах. Но это может измениться.

Технология создания смартфонов, которые ощущают запах, становится все реальнее, говорит Андреас Мершин, ученый-исследователь и изобретатель Массачусетского технологического института.

Идея не обязательно состоит в том, чтобы Siri сообщала, когда стоит принять душ (хотя для некоторых это может быть полезно). Существует более масштабная задача: воспроизвести возможности собак по выявлению заболеваний в более портативной и доступной форме.

Обоняние собак способно уловить запах рака, болезни Паркинсона, малярии и других заболеваний, которые вызывают изменения запаха человеческого тела. Есть даже исследования о том, что собаки могут обнаружить запах COVID-19.

Ученые могли бы обучать все больше и больше собак, чтобы помочь в выявлении болезней, и использовать их по всему миру. Но это дорого, сложно и занимает много времени. Кроме того, не все любят животных, и не всем понравится, что их будут обнюхивать перед баскетбольным матчем или во время приема у врача.

По сути, ученые надеются сконструировать нос робота, который будет обнаруживать болезни так же, как это делает собачий нос.

«Идея всегда заключалась в том, чтобы собака транслировала возможности своего носа на электронное устройство», — говорит Клэр Гест, которая исследует собак, находящих COVID-19 по запаху.

Несмотря на то, что исследователи смогли продвинуться в разработке искусственных носов, они не совсем понимают, как функционирует настоящий нос. Как это возможно?

Проблема искусственного носа

Ученые много знают об основных механизмах обоняния. Известно, что в носу есть специальные рецепторы, которые взаимодействуют с молекулами запаха, которые мы вдыхаем. И они знают, что эти рецепторы посылают сигналы в мозг.

Но нам по-прежнему неизвестно, почему вещи пахнут определенным образом. Почему одна молекула запаха пахнет так, а другая молекула запаха аналогичной формы — иначе? Это все еще остается загадкой.

Что касается зрения, существует всего несколько типов рецепторов, и их взаимодействие хорошо изучено. В то же время существует 400 типов рецепторов запаха, и мы только начали понимать, как они работают вместе.

Но эта проблема не отпугивает таких ученых, как Мершин.

Мершин впервые попытался создать искусственный нос в 2007 году, когда Агентство по исследованиям и разработкам Министерства обороны США (DARPA) объявило о конкурсе. Ведомство хотело посмотреть, сможет ли кто-нибудь создать нос робота, который мог бы обнаруживать определенные молекулы. Их список не раскрывался, но Мершин подозревает, что это имело отношение к запаху бомб, наркотиков или трупов.

Сначала Мершин, его соавтор из Массачусетского технологического института Шугуанг Чжан и их команда предположили, что могли бы создать что-то, что будет обнаруживать сами молекулы запаха — что-то вроде усиленного детектора CO2. Когда какая-либо пахнущая молекула попадет в детектор, сработает сигнал тревоги.

Они использовали клетки настоящих рецепторов запаха, выращенные в лаборатории, и расположили их на печатной плате. Предподагалось, что рецепторы сообщат о наличии всех молекул запаха, которые есть поблизости. Но потом они поняли, что вокруг витает так много запахов, что сигналы звучали бы слишком часто. Поэтому команда решила отказаться от создания такого инструмента.

Фото в тексте: Университет Уэйкато

Следующий проект получил название Nano-Nose («Нанонос») и был устроен несколько иначе. Он рассматривал общую картину: запах в целом. Инструмент регистрировал бешеную электрическую активность, производимую рецепторами в присутствии запаха. Показания выглядели чем-то вроде биржевого тикера. Мершин обнаружил, что каждый запах создает определенный паттерн, который компьютер (то есть мозг) может распознать.

По сути, Мершин использовал машинное обучение, чтобы позволить «Наноносу» самостоятельно распознавать запахи. Интересно, что в значительной степени именно так обучают собак, обнаруживающих болезни по запаху. Мершин показал устройству, что нужно было распознать для теста, а затем позволил ему учиться.

В конечном счете, он показал, что «Нанонос» может определять запахи с помощью реальных рецепторов и демонстрировать довольно высокую чувствительность. Но испытание DARPA проходило в чрезвычайно контролируемой среде, и через несколько лет программа была закрыта. Реальный мир гораздо сложнее.

Мершин продолжает свои исследования и пытается подготовить «Нанонос» для повседневного применения. И хотя более ранние версии были размером с рабочий стол, теперь, рассказывает ученый, она может поместиться внутри смартфона.

Носы в наших телефонах могли бы помочь спасти жизни

Мершину все еще нужно больше тренировать «Нанонос», прежде чем он действительно сможет чувствовать запах болезней в повседневных ситуациях. Рецепторы придется подвергуть большему количеству запахов, чтобы улучшить алгоритм. Но разработка уже находится на стадии доказательства концепции, и, вероятно, телефоны, которые могут распознать запах, уже не за горами.

Однако появление этой функции сопряжено с некоторыми явными проблемами. Будут ли запахи конфиденциальными? Возможно ли будет взломать механический нос? Получат ли рекламодатели доступ к этим данным? Наши смартфоны уже вызывают аналогичные вопросы, и ответы часто нас не устраивают.

Вопросы конфиденциальности могут нас беспокоить, но выгода кажется очевидной, ведь умное устройство в кармане может даже спасти жизнь, заметив злокачественное новообразование на ранней стадии.

Гест, которая обучает собак обнаруживать болезни, говорит, что лично понимает этот спасительный потенциал. Спустя годы после того, как она начала свои исследования, ее собака Дейзи начала выглядеть расстроенной. Она постоянно смотрела на хозяйку и то и дело подталкивала ее, указывая на определенное место. Пощупав его, Гест обнаружила шишку. В конце концов у нее выявили рак молочной железы, и вполне возможно, что Дейзи спасла ей жизнь.

Не у всех есть доступ к таким собакам, как у Гест. Но почти у каждого есть смартфон. Прямо сейчас наши телефоны не чувствуют запаха рака. Но однажды они могут спасти чью-то жизнь.

Источник.

Фото на обложке: Javier Brosch / Shutterstock