人工智能获得嗅觉并能通过呼吸发现疾病

想象一下这样一个世界：计算机和机器人拥有与人类一样的嗅觉，甚至可以利用这种能力及早发现疾病。这听起来像科幻电影里的情节，对吧?然而，得益于人工智能 (AI) 的重大进步，这正在成为现实。首尔国立大学的研究人员开发了一种复杂的人工嗅觉系统 (AOS)，该系统将人类嗅觉受体与尖端的 AI 技术相结合。

该系统可以高精度地识别不同的气味，为其应用开辟了无数的可能性。从嗅出呼吸样本中的癌症到彻底改变食品安全和环境监测等行业，这项技术的潜力是巨大的。在本文中，我们将探讨这些人工智能网络的工作原理、它们目前的能力以及它们所拥有的光明未来。

一、人工智能嗅觉科学

人类的嗅觉极其复杂。我们的鼻子里有大约 400 种不同类型的受体细胞，可以检测各种各样的气味。当我们吸气时，这些受体会接收空气中的分子并向我们的大脑发送信号，然后大脑将这些信号解读为特定的气味。

现在，想象一下在机器中复制这一复杂的过程。这正是首尔国立大学的研究人员通过他们的人工嗅觉系统 (AOS) 所取得的成就。他们在这个项目上的工作将生物学与技术相结合，创造了一个模仿人类嗅觉的系统。

AOS 由三个主要部分组成：

1. 利用人类受体功能化的嗅觉传感器：

这些传感器被设计用来检测各种气味——产生气味的化合物。

这些传感器内嵌有人类的嗅觉受体，这些受体是利用一种名为大肠杆菌的细菌培育的。

2. 人工突触：

就像人类的大脑中，突触是传递信号的神经元之间的连接一样，AOS 使用人工突触来模拟这一过程。

这些突触表现出神经可塑性，这意味着它们可以随着时间的推移而适应和增强，从而提高系统识别气味的能力。

3.人工神经网络(ANN)

这些是仿照人脑神经元网络建模的计算机系统。ANN 旨在从数据中学习、识别模式并做出决策。

在 AOS 中，ANN 学习根据从传感器和突触接收到的信号来识别和区分各种气味。

通过结合这些组件，研究人员创建了一个可以非常精确地模拟人类嗅觉过程的系统。

二、利用人工智能识别气味

那么，这种人工嗅觉系统究竟是如何检测和识别气味的呢?让我们一步一步来分析一下。

该系统的第一部分涉及包含经过修改的人类嗅觉受体的纳米盘。当引入空气样本时，气味分子会以独特的方式与这些受体结合。这些纳米盘对于气味的初步检测至关重要。

接下来，这些纳米盘中的信息被传输到人工突触。这些突触的功能类似于我们大脑中的生物突触——它们将气味信息传输到下一阶段进行处理。人工突触模仿了人类神经突触的动态和适应性。这种对生物过程的模拟使得 AOS 在准确性和效率方面脱颖而出。

最后，信号到达人工神经网络 (ANN)。ANN 已经接受过大量气味样本的训练，能够识别与不同气味相对应的特定模式。例如，在《科学进展》杂志上发表的一项研究中，AOS 在区分不同短链脂肪酸方面准确率高达 90%，而短链脂肪酸是某些类型胃癌的已知生物标志物。研究人员之所以选择这些特定的脂肪酸，是因为它们通常存在于胃癌患者的呼吸中。

为了确定样本中是否存在某种气味，ANN 会将新输入与其训练数据进行比较并识别气味。这个过程类似于我们的大脑根据过去的经验识别和区分各种气味。

这种生物学与技术的非凡结合不仅使 AOS 能够检测各种气味，而且还能提供高度准确和可靠的结果。这种技术的潜在应用非常广泛，从医疗诊断到环境监测等等。

通过了解这些人工系统的工作原理，我们可以了解正在取得的进步以及它们为未来带来的令人兴奋的可能性。这只是人工智能驱动的嗅觉可以实现的开始，其影响既深远又充满希望。