計算機芯片如何擁有嗅覺
神經(jīng)拟态計算的未來：英特爾高級研究科學(xué)家Nabil Imam闡釋神經(jīng)拟态計算
2020 年 3 月 17 日——今天，《自然-機器智能(néng)》雜志報道(dào)了英特爾與美國(guó)康奈爾大學(xué)的科學(xué)家共同構建數學(xué)算法的研究成(chéng)果。在研究人員的指導下，Loihi 迅速掌握了 10 種(zhǒng)不同氣味的神經(jīng)表征。
英特爾研究院科學(xué)家 Nabil Imam 在位于美國(guó)加州聖克拉拉的神經(jīng)拟态計算實驗室中，手持一塊 Loihi 神經(jīng)拟态測試芯片。他和美國(guó)康奈爾大學(xué)的一個研究小組正在計算機芯片上構建數學(xué)算法，用于模拟人們聞到某種(zhǒng)氣味時大腦神經(jīng)網絡的反應。（圖片來源：Walden Kirsch/英特爾公司）
英特爾研究院神經(jīng)拟态計算小組高級研究科學(xué)家 Nabil Imam 與美國(guó)康奈爾大學(xué)的嗅覺神經(jīng)生理學(xué)家展開(kāi)合作。擁有神經(jīng)拟态計算博士學(xué)位的 Imam 解釋說：“康奈爾大學(xué)的研究人員負責研究動物的生物嗅覺系統，并測量動物聞到氣味時的腦電波活動。我們根據這(zhè)些電路圖與電脈沖，導出了一套算法并將(jiāng)其配置在神經(jīng)拟态芯片上，尤其是在我們的 Loihi 測試芯片上。”Loihi 是英特爾的神經(jīng)拟态計算芯片，可將(jiāng)在生物大腦中發(fā)現的計算原理應用于計算機架構之中。
首先，我們是如何識别氣味的：如果你拿起(qǐ)一個葡萄柚聞一聞，水果分子就會(huì)刺激鼻腔内的嗅覺細胞。鼻腔内的細胞會(huì)立即向(xiàng)你的大腦嗅覺系統發(fā)送信号，一組相互連接的神經(jīng)元中的電脈沖就會(huì)在這(zhè)個嗅覺系統中産生嗅覺。無論聞到的是葡萄柚、玫瑰還(hái)是有害氣體，你大腦中的神經(jīng)元網絡都(dōu)會(huì)産生該物體特有的感覺。同樣(yàng)，你的視覺和聽覺、回憶、情緒和決策都(dōu)有各自的神經(jīng)網絡，它們都(dōu)以特定的方式進(jìn)行計算。
Loihi 學(xué)習檢測複雜混合物的不同氣味：Imam 和他的團隊采用了一個由 72 個化學(xué)傳感器活動組成(chéng)的數據集，可對(duì)一個風洞實驗中循環的 10 種(zhǒng)氣體物質（氣味）作出反應。傳感器對(duì)各種(zhǒng)氣味的反應被(bèi)傳送至 Loihi，由其芯片電路對(duì)嗅覺背後(hòu)的大腦電路進(jìn)行模拟。Loihi 芯片迅速掌握了 10 種(zhǒng)氣味各自的神經(jīng)表征，其中包括丙酮、氨和甲烷，即使有強烈的環境幹擾也能(néng)識别出這(zhè)些氣味。雖然你家中的煙霧和一氧化碳探測器能(néng)使用傳感器來探測氣味，但它們無法對(duì)各種(zhǒng)氣味進(jìn)行區分；雖然它們一旦探測到空氣中的有害分子時會(huì)發(fā)出警報，卻無法對(duì)其進(jìn)行智能(néng)分類。
未來的應用：Imam 表示，化學(xué)傳感領域多年來一直在尋找智能(néng)的、可靠的和快速響應的化學(xué)傳感處理系統，或者稱之爲“電子鼻系統”。他看到了搭載神經(jīng)拟态芯片的機器人在環境監測、危險物質檢測以及在工廠質量控制方面(miàn)的應用潛力。此外，該系統還(hái)可應用于醫療診斷，因爲患有某些疾病會(huì)散發(fā)出特定的氣味。另一個例子是，搭載神經(jīng)拟态芯片的機器人可應用于機場安檢區域，能(néng)夠更高效地識别危險物質。
在未來加入更多感官：Imam 表示，“我的下一步計劃，是將(jiāng)這(zhè)種(zhǒng)方法推廣到更廣泛的應用領域，包括從感官場景分析（理解你觀察到的各種(zhǒng)物體之間的關系），到規劃和決策等抽象問題。理解大腦的神經(jīng)網絡如何解決這(zhè)些複雜的計算問題，將(jiāng)爲設計高效、強大的機器智能(néng)提供重要啓示。”
亟待克服的挑戰：Imam 表示，嗅覺領域存在著(zhe)一些挑戰。當你走進(jìn)一家雜貨店時，可能(néng)會(huì)聞到草莓的氣味，但其氣味可能(néng)類似于藍莓或香蕉的氣味，它們會(huì)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(zhǒng)水果氣味還(hái)是多種(zhǒng)香味的混合。當系統聞到來自意大利的草莓和來自加利福尼亞的草莓時可能(néng)會(huì)出錯，這(zhè)兩(liǎng)種(zhǒng)草莓可能(néng)有不同的香味，但需要歸爲一類。Imam 表示：“這(zhè)些是目前我們在研究嗅覺信号識别時面(miàn)臨的挑戰，我們期待在未來幾年内解決這(zhè)些問題，這(zhè)樣(yàng)的産品才能(néng)解決現實世界的問題，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(shì)的工作是“發(fā)生在神經(jīng)科學(xué)與人工智能(néng)技術交叉領域的當代研究典範”。
