英特爾最新研究：計算機芯片也能擁有超強嗅覺！

3月17日，英特爾研究院與美國康奈爾大學(xué)的研究人員，在《自然-機器智能》雜志上聯(lián)合發(fā)表的一篇論文，展示了雙方共同構(gòu)建數(shù)學(xué)算法的研究成果。在研究人員的指導(dǎo)下，英特爾神經(jīng)擬態(tài)研究芯片Loihi迅速掌握了10種不同氣味的神經(jīng)表征。

據(jù)悉，此次合作是由英特爾研究院神經(jīng)擬態(tài)計算小組高級研究科學(xué)家Nabil Imam與美國康奈爾大學(xué)的嗅覺神經(jīng)生理學(xué)家聯(lián)合展開。對此，Imam解釋說：“康奈爾大學(xué)的研究人員負(fù)責(zé)研究動物的生物嗅覺系統(tǒng)，并測量動物聞到氣味時的腦電波活動。我們根據(jù)這些電路圖與電脈沖導(dǎo)出了一套算法，并將其配置在神經(jīng)擬態(tài)芯片上，尤其是在我們的Loihi測試芯片上?！盠oihi是英特爾的神經(jīng)擬態(tài)計算芯片，可將在生物大腦中發(fā)現(xiàn)的計算原理應(yīng)用于計算機架構(gòu)之中。

（Nabil Imam手持一塊Loihi神經(jīng)擬態(tài)測試芯片）

如何識別氣味？

如果你拿起一個葡萄柚聞一聞，水果分子就會刺激鼻腔內(nèi)的嗅覺細(xì)胞。鼻腔內(nèi)的細(xì)胞會立即向你的大腦嗅覺系統(tǒng)發(fā)送信號，一組相互連接的神經(jīng)元中的電脈沖就會在這個嗅覺系統(tǒng)中產(chǎn)生嗅覺。無論聞到的是葡萄柚、玫瑰，還是有害氣體，你大腦中的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)都會產(chǎn)生該物體特有的感覺。同樣，你的視覺和聽覺、回憶、情緒、決策等都有各自的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它們都以特定的方式進行計算。

基于這一原理，英特爾研究院和與美國康奈爾大學(xué)的研究人員，采用了一套源自大腦嗅覺回路結(jié)構(gòu)和動力學(xué)的神經(jīng)算法，對英特爾Loihi神經(jīng)擬態(tài)芯片進行訓(xùn)練，使其能夠?qū)W習(xí)和識別10種危險化學(xué)品的氣味，其中包括丙酮、氨和甲烷。該研究團隊采用了一個由72個化學(xué)傳感器活動組成的數(shù)據(jù)集，以便對這些氣味作出反應(yīng)，并在Loihi芯片上配置了生物嗅覺的電路圖。

雖然你家中的煙霧和一氧化碳探測器能夠使用傳感器來探測氣味，但它們無法對各種氣味進行區(qū)分；雖然它們一旦探測到空氣中的有害分子時就會發(fā)出警報，但卻無法對其進行智能分類。然而，這款芯片可以掌握每種氣味的神經(jīng)表征，即便在明顯掩蔽或者強烈干擾的情況下，也能識別出每種氣味，這充分證明了未來神經(jīng)科學(xué)與人工智能交叉研究的廣闊前景。

未來有何應(yīng)用？

Imam表示，化學(xué)傳感領(lǐng)域多年來一直在尋找智能的、可靠的，以及快速響應(yīng)的化學(xué)傳感處理系統(tǒng)，或者稱之為“電子鼻系統(tǒng)”。我們看到了搭載神經(jīng)擬態(tài)芯片的機器人在環(huán)境監(jiān)測、危險物質(zhì)檢測，以及在工廠質(zhì)量控制方面的應(yīng)用潛力。此外，該系統(tǒng)還可應(yīng)用于醫(yī)療診斷，因為患有某些疾病會散發(fā)出特定的氣味。另一個例子是，搭載神經(jīng)擬態(tài)芯片的機器人可以應(yīng)用于機場安檢區(qū)域，能夠更高效地識別危險物質(zhì)。

Imam透露，未來該研究將會加入更多感官，“我的下一步計劃是將這種方法推廣到更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，包括從感官場景分析（理解你觀察到的各種物體之間的關(guān)系）到規(guī)劃和決策等抽象問題。理解大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如何解決這些復(fù)雜的計算問題，將為設(shè)計高效、強大的機器智能提供重要啟示”。

不過，這一研究目前仍然存在著一些挑戰(zhàn)。Imam表示，當(dāng)你走進一家雜貨店時，可能會聞到草莓的氣味，但其氣味可能類似于藍(lán)莓或香蕉的氣味，它們會在大腦中引發(fā)非常相似的神經(jīng)活動模式。有時候，人類甚至很難分辨出究竟是一種水果氣味還是多種香味的混合。當(dāng)系統(tǒng)聞到來自意大利的草莓和來自加利福尼亞的草莓時可能會出錯，這兩種草莓可能有不同的香味，但需要歸為一類，“這些是目前我們在研究嗅覺信號識別時面臨的挑戰(zhàn)，我們期待在未來幾年內(nèi)解決這些問題，這樣的產(chǎn)品才能解決現(xiàn)實世界的問題，而不僅僅是解決在實驗室演示的實驗性問題”。

在Imam看來，自己從事的工作是“發(fā)生在神經(jīng)科學(xué)與人工智能技術(shù)交叉領(lǐng)域的當(dāng)代研究典范”。