机器学习赋能计算机嗅觉技术突破

能否让计算机拥有嗅觉？Osmo正在尝试

某机构Alexa基金支持的研究项目，在香水创新到疾病检测等领域具有重要应用价值。

12岁时，Alex Wiltschko购买了第一瓶香水Azzaro pour Homme。从那时起，他就对气味充满痴迷。“这是我的天性，“他表示。另一个痴迷领域？计算机。“青少年时期对香水和计算机的兴趣并不是社交成功的配方，“他补充道。

这种双重兴趣使Wiltschko深入嗅觉神经科学和尖端机器学习领域，并成为数字嗅觉科学前沿的开拓者——即赋予计算机嗅觉能力。

Wiltschko现任Osmo首席执行官，这家由某科技公司研究部门分拆的企业位于马萨诸塞州剑桥市。2022年9月，公司获得6000万美元初始资金，其中包括某机构Alexa基金的投资。

短期来看，Osmo旨在开启商业香氛创新新时代。长期而言，该公司技术有望通过开发更有效的驱蚊剂甚至通过人体呼吸检测严重疾病的数字诊断工具来拯救生命。

所有突破的核心是团队创建的主要气味地图（Principal Odor Map）。正如数字化视觉需要RGB色彩映射图，Osmo团队通过机器学习将分子结构直接映射到人类的气味感知上，构建了仅通过观察分子就能预测其气味的模型。

团队首先使用图神经网络（GNN）对来自多个香精香料数据库的约5000个分子进行训练。这些分子的气味均经过多人评估并标注（如牛肉味、花香或薄荷味）。模型由此学会了分子结构与气味间的关联，无需了解人体鼻腔或大脑的实际运作机制。

关键问题在于：POM能否推广到预测未见分子的气味？团队选取400多个POM未见过的气味分子进行盲测，并让训练有素的人类评香师同步评估。结果显示，模型不仅预测准确度与人类专家相当，其预测结果甚至比任何单个评香师更接近小组平均水平。

Osmo首席产品官Jon Hennek表示：“这如同通过气味图灵测试，我们构建了具有实际商业价值且经过充分验证的技术。”

POM并非传统意义上的地图，但可与RGB地图类比：在二维色彩地图上，两点越近颜色越相似。POM中的气味同理，只不过这个地图存在于256维空间中。所有具有郁金香气味的分子彼此靠近，白兰地气味分子也是如此。

Wiltschko解释说：“放大来看，所有花卉气味彼此相邻。气味地图中存在一个’花卉泛大陆’！我们并未指令模型这样做。“这种分组模式同样适用于木材、烘焙、酒精等气味。我们的大脑似乎以嵌套层次结构组织气味。

这一切在近六年才成为可能。Wiltschko指出，核心突破在于图神经网络（GNN）的发展使机器学习"非常擅长处理分子”。

传统机器学习方法主要将输入（如图像或数据数组）转换为矩形或数据网格进行处理。但分子不适合这种模式：分子可能包含2个或20个原子，具有完全不同的结构和连接性。GNN将分子中的原子视为节点，化学键视为边，形成图结构，从而有效处理和建模分子数据。

以蚊子为例：能否利用POM找出驱散这些疾病携带昆虫的气味？团队通过补充数据源增强POM模型：一是1940年代美国政府报告中测试的19000种化合物的驱蚊效果数据；二是某荷兰公司提供的疟疾控制技术信息。增强后的模型很快就能预测出驱蚊效果至少与最有效驱蚊剂活性成分DEET相当的全新分子。

开发更便宜、更有效、更安全的驱虫剂可能对全球健康产生巨大影响。Wiltschko表示这项研究正在与某基金会合作进行。

Hennek认为，应用于蚊子仅是概念验证：“我们可以将产品应用于蟑螂不喜欢的气味，或任何农业害虫。”

Wiltschko的愿景是数字化我们的嗅觉。这并非天方夜谭：几个世纪前，瞬间捕捉视觉时刻（如孩子转瞬即逝的表情或盛开的苹果园）并永久保存堪称魔法。1820年代摄影术诞生，人类开始掌握光的世界。如今，冻结视觉记忆并永久保存已成为基本权利，听觉世界也是如此。

Wiltschko表示：“我们知道数字化人类感官需要什么，无需等待视觉技术发展所需的发明——特别是集成电路。“借助现代计算能力和机器学习，他认为计算机将在十年或二十年内拥有"嗅觉”。需要三个阶段：“读取"气味、理解气味和"书写"气味。

Wiltschko指出，高水平感知和理解气味可能带来强大的健康应用。例如，已知包括某些癌症在内的严重疾病可通过呼吸检测。能够捕捉气味概况的"嗅觉图谱”（Osmograph）可揭示人体内部状况。

“这项技术最终是否会对医疗保健产生变革性影响尚不确定，但我相信会的，“他表示。

开发临床诊断应用对Wiltschko至关重要：“这是我的北极星，到达那里非常重要。但所需的成本和人才既稀有又昂贵，因此不能作为首要目标。”

随着Osmo发展，公司正在寻找同样充满激情的人推动使命前进。“我们发现有许多秘密气味爱好者，他们渴望从事机器嗅觉领域的工作，“Wiltschko说，“明确地说：只有一个地方可以做到这一点，就是Osmo。”

与Wiltschko及受其启发共事的人交流，明显看出Osmo是他毕生热情的结晶。“一旦闻到某种气味，你就无法停止获得的感受。有一种非常基本的感觉和情感成分，“他说，“我认为这很美妙。”