原創(chuàng) Emily Mullin

摘要 / Introduction

谷歌研究院（Google Research）的衍生企業(yè)Osmo希望開發(fā)一門技術(shù)，為難以提取的香味找到替代品。該項技術(shù)會為新香水的研發(fā)帶來靈感，同時助力對抗通過蚊子傳播的疾病。

艾利克斯·威爾奇科（Alex Wiltschko）打開一個黑色塑料手提箱，取出了大約60個裝滿不同香氣的玻璃瓶。有一瓶聞起來帶有淀粉味，還伴著柔和的花香，如同烹煮中的茉莉香米。另一瓶則讓人想到濕潤的海風和西瓜的白瓤。還有一瓶散發(fā)著藏紅花的香味，中間還微嵌著淡淡的皮革和紅茶的香氣。再有一瓶則是無花果葉、黃楊木和羅勒的濃烈香氣。最令人意外的一瓶是泰國辣椒的醇厚香氣，卻并沒有辣椒所特有的鼻腔灼傷感。

飄入我鼻中的這些氣息，與我曾經(jīng)聞到過的任何氣味都迥然不同。實際上，能夠聞到這些氣味的人，全世界也只有寥寥幾人。然而，在任何人有機會聞到這些氣味之前，一個計算機模型就已經(jīng)預測出了我們將如何感知這些氣味。

- KatelynsCanvas -

威爾奇科從青少年時代起就迷戀上了氣味。過去幾年，他在谷歌研究院開發(fā)軟件，旨在僅通過分子結(jié)構(gòu)就能預測其氣味。他邀請我聞的這些玻璃瓶中的香氣，正是他的新創(chuàng)公司Osmo的基礎。Osmo位于馬薩諸塞州劍橋市，是一家谷歌研究院的衍生公司（spinout）。Osmo在由Lux Capital和谷歌風投（Google Ventures）領投的首輪融資中籌得6000萬美元，公司的目標是為香水、洗發(fā)水、乳液、蠟燭和其他日用品創(chuàng)造新一代的香氣分子。

價值300億美元的全球香水業(yè)依賴于其原材料，而這些原材料的獲取不是越來越困難就是飽受爭議。受氣候變化引發(fā)的極端天氣影響，香水行業(yè)中常用的花卉供應正在逐漸減少。檀香樹等物種則因過度采伐而瀕臨滅絕。其他如藏紅花或香根草這樣的成分，也因地緣政治動蕩而可能遭受供應鏈中斷的風險。一些品牌仍然使用從動物體內(nèi)提取的麝香等香味，這引發(fā)了道德問題，因為獲取這些香味意味著必須捕捉和殺死動物。與此同時，一些合成替代品，例如有鈴蘭花香的鈴蘭醛，出于安全原因正面臨監(jiān)管禁令。

- Ella Tjader -

香水公司的化學家們已經(jīng)找到了模擬一些天然香氣的方法，但這依舊大部分依賴于人工操作，且許多香氣并沒有合成的替代品。Osmo的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官威爾奇科表示：“我們需要做出替代品。否則，我們將不得不繼續(xù)從我們的生態(tài)系統(tǒng)中獲取這些動植物?！彼诠雀柩芯吭涸I導數(shù)字嗅覺團隊?！皩崿F(xiàn)安全、可持續(xù)和可再生的香氣原料生產(chǎn)，而不需要以收割生命為代價，這個目標里蘊含著巨大的機會。”

在短期內(nèi)，該公司希望為香料和香水行業(yè)設計出高效、無過敏原、且可生物降解的分子。Lux Capital的管理合伙人和Osmo的聯(lián)合創(chuàng)始人喬希·沃爾夫（Josh Wolfe）說：“我們將Osmo視為一種理性設計的商業(yè)模式，人們想要一種非常具體的香氣，我們設計相應的化學物質(zhì)，就像生物技術(shù)或制藥公司研發(fā)藥物然后授權(quán)一樣?！遍L遠來看，該公司希望賦予計算機“嗅覺”，也就是將氣味“數(shù)字化”，盡管這一概念目前還不成熟，并面臨著一些技術(shù)上的挑戰(zhàn)。

位于費城的莫奈爾化學感覺中心（Monell Chemical Senses Center）的嗅覺神經(jīng)科學家喬爾·梅蘭德（Joel Mainland）表示：“我們對嗅覺系統(tǒng)的理解并不如其他感官，但這是因為它很可能更復雜?！泵诽m德曾與威爾奇科在谷歌研究院的嗅覺團隊合作，但并沒有參與Osmo的工作。

烤面包、雨后草地、香煙煙霧或是你祖母的香水，當這些氣味分子漂浮在空氣中，進入你的鼻子，并與氣味受體結(jié)合，通過嗅覺神經(jīng)向大腦傳遞信息時，你的嗅覺就開始發(fā)揮作用了。人類的鼻子有大約400種受體，或說是特殊的感應蛋白。相比之下，眼睛使用三種類型的受體進行視覺感知，而我們的味覺則始自大約40種受體。

- Krystsina Bartosh -

這種復雜性使得對氣味的分類比對其他感知體驗的分類更困難。顏色可以用一個被稱為色輪的漸變工具來表示，而聲音可以用其波的頻率來表示。然而對于氣味來說，沒有類似的工具存在。“現(xiàn)在，我們需要找到一種方法來理解氣味之間的相互關聯(lián)，”梅蘭德說，“我們目前還沒有一個好的方法來組織和分類氣味。”

因此，威爾奇科的谷歌團隊致力于建立他們所謂的“氣味地圖”——一種能將氣味相似的分子歸類在一起的方式。但他們沒有依靠人類的鼻子來進行這些區(qū)分，而是使用了人工智能。

他們首先向機器學習軟件輸入了一個包含5000個從香料目錄中獲得的氣味分子的數(shù)據(jù)集，這些氣味都是常見而且描述詳盡的。例如，這氣味是果香、奶油香還是木質(zhì)香？通過這個訓練集，軟件開始注意到每個氣味分子的化學結(jié)構(gòu)與人類對其描述之間的關聯(lián)，從而構(gòu)建出一個基于這些特征對分子進行歸類的高維氣味地圖。威爾奇科說：“這看似是一個簡單的問題，但其實分子結(jié)構(gòu)的微小變化就可以使它從聞起來像玫瑰花到臭雞蛋”。比如，分子中的化學鍵或碳原子的數(shù)量就可以影響其氣味。

然后，他們給了軟件一個更神秘的數(shù)據(jù)集來解析：400個由科學家設計但從未生產(chǎn)的分子，因此它們的氣味尚未被描述。他們要求該模型根據(jù)這些分子的結(jié)構(gòu)預測人類可能感知到的氣味。

- Danny Ivan -

為了檢驗這些預測的效果，梅蘭德和他在莫奈爾的同事們邀請了15名志愿者組成小組，讓他們聞每種氣味，并給它們貼上標簽：花香、薄荷香、煙熏味等等。實驗過程中，評審小組成員們并不總是對每個氣味的評價一致，這也反映出嗅覺可能比許多其他感官更加主觀。然而，對于53%的氣味，模型的預測更接近小組的平均評價，而不是任意一個志愿者的主觀判斷。

威爾奇科表示，他們認為這是一個成功的嘗試，盡管該系統(tǒng)仍有一些缺陷。例如，兩個分子可以是彼此的鏡像，但氣味卻可能不同。他說：“這些氣味并不總是完全不同，有時是微妙的不同，而我們的神經(jīng)網(wǎng)絡對此完全視而不見?！?/p>

該團隊于九月將其研究成果發(fā)布到預印本服務器bioRxiv上，目前該論文正在接受一家科學期刊的同行評審。

Lee, Brian K., et al. "A Principal Odor Map Unifies Diverse Tasks in Human Olfactory Perception." bioRxiv (2022): 2022-09.

https://doi.org/10.1101/2022.09.01.504602

羅切斯特大學醫(yī)學院的嗅覺神經(jīng)科學家克里希南·帕德馬納漢（Krishnan Padmanabhan）說：“對于嗅覺科學，我們想做的一件事是了解人類是如何感知氣味的?！北M管他沒有參與Osmo的研究，但他表示，該團隊的“氣味地圖”為理解人類對氣味的感知提供了一種可能途徑?！八麄兊某晒娴暮芰钊擞∠笊羁獭！?/p>

威爾奇科讓我聞的玻璃瓶中含有那些莫奈爾的志愿者們聞過的相同氣味。他說，Osmo正在與幾家香水公司積極談判，以授權(quán)其中一些香氣的生產(chǎn)。

法國頂級調(diào)香大師克里斯托夫·勞達米爾（Christophe Laudamiel）認為，部分新的香味比其他香味更具有商業(yè)價值。例如，他說，目前很少有聞起來像海洋的分子，因此，研發(fā)新的海洋香味封面將極具吸引力。他不確定香水行業(yè)將如何使用辣椒味，但辣椒可以被用作食品調(diào)味。根據(jù)總部設在紐約的國際香精香料公司（International Flavors & Fragrances，該公司是炮制新氣味的主要公司之一）的說法，全球只有大約600名調(diào)香師。勞達米爾目前擔任Osmo企業(yè)顧問，并在我聞不同的氣味時通過Zoom對我進行遠程指導。

“這個行業(yè)規(guī)模很小，只有幾家公司著手尋找新分子，”他說，“找到具有新氣味的新分子是非常具有偶然性的事情?！?/p>

而且失敗率很高。這些分子不僅要好聞，還必須安全且可生物降解。公司可能每年要測試一千種分子，只是為了能向市場推出幾個能滿足所有這些條件的分子。當威爾奇科把Osmo創(chuàng)造的分子發(fā)給勞達米爾時，勞達米爾說：“你應該意識到你已經(jīng)創(chuàng)造了一個新的香水成分宇宙?！?/p>

威爾奇科認為Osmo的技術(shù)還能解決另一個問題：創(chuàng)造一種更好的驅(qū)蚊劑。

- Funda Mengilli -

根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，瘧疾和登革熱等蚊子傳播的疾病每年造成超過70萬人死亡。雌性蚊子以人血為食，并被皮膚的氣味所吸引。大多數(shù)化學驅(qū)蚊劑，包括被認為是黃金標準的DEET，通過混淆蚊子的嗅覺信號來發(fā)揮作用，防止它們找到下一個目標。

但DEET也有一些缺點。它必須在高濃度下使用，它可以使塑料降解，并可能導致皮膚刺激。約翰霍普金斯大學研究蚊子嗅覺系統(tǒng)的神經(jīng)科學家克里斯·波特（Chris Potter）認為，蚊子也有可能對DEET產(chǎn)生抗藥性，就像它們對其他化學品一樣。波特并沒有參與Osmo的研究，但他說：“我覺得我們需要去尋找其他種類的驅(qū)蟲劑。有個備選方案總是必要的?！?/p>

2020年，美國環(huán)境保護署批準了11年來的第一個新的驅(qū)蚊劑——一種叫做諾卡酮（Nootkatone）的天然化學物質(zhì)，它賦予葡萄柚其特有的香氣。但是，威爾奇科和他在谷歌的團隊認為，他們可以利用機器學習系統(tǒng)來尋找新的驅(qū)蚊劑。

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首先，威爾奇科的團隊需要一個龐大的氣味分子數(shù)據(jù)集，以便訓練他們的模型來識別化合物的結(jié)構(gòu)與其作為驅(qū)蚊劑的有效性之間的關聯(lián)。但是他們只能在最近的科學文獻中找到幾十種驅(qū)蚊劑的描述。于是威爾奇科追蹤到了一份來自1940年代的美國政府報告，當時科學家們測試了大約19000種化合物的有效性。這項工作根據(jù)這些化合物的效果進行排名，并發(fā)現(xiàn)了DEET。威爾奇科和他的團隊將該數(shù)據(jù)集數(shù)字化，然后在其上訓練他們的算法。

正如他們在香味實驗中所做的那樣，他們向模型提供了400個未經(jīng)測試的新型分子。在這種情況下，他們要求該模型僅根據(jù)每個分子的化學結(jié)構(gòu)來預測哪些分子可能有驅(qū)蚊效力。他們從中選擇了317個進行標準的實驗室測試。結(jié)果顯示，其中超過10種分子具有類似或高于DEET和目前使用的其他化學品的驅(qū)蚊效力。

該團隊在bioRxiv網(wǎng)站發(fā)布了他們的研究預印本，但該論文還沒有經(jīng)過同行評審。接下來Osmo計劃測試這些分子的皮膚安全性和生物降解性。

Wei, Jennifer N., et al. "A deep learning and digital archaeology approach for mosquito repellent discovery." bioRxiv (2022): 2022-09.

https://doi.org/10.1101/2022.09.01.504601

波特對該團隊的方法印象深刻。他說：“這個方法運用了這些我們塵封已久了的數(shù)據(jù)。現(xiàn)在我們有了這個很好的待研究清單。這些化學物質(zhì)值得我們更仔細地去研究?！?/p>

威爾奇科和沃爾夫認為，定制的氣味分子和新的驅(qū)蟲劑只是一個開始——他們的目標是讓計算機具有嗅覺。他們認為人工智能可以通過預測氣味的味道及其與其他氣味的關系，使我們更接近于數(shù)字嗅覺。沃爾夫把這個長期愿景形容為“嗅覺的Shazam”（一款歌曲識別軟件）。就像你可以用一個應用程序來識別廣播中播放的歌曲一樣，他認為，你也應該能用你的手機來捕捉、保存和傳輸氣味。

但這是一個困難的問題。盡管手機可以傳輸聲音，它并不能傳輸化學物質(zhì)。這樣的設備必須收集氣味分子，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字簽名，然后將信號傳遞給其他人的手機或電腦進行解碼。然后，他們需要某種化學釋放裝置，將該信號轉(zhuǎn)換為可吸入的氣味。

- Caroline Andrieu -

Osmo還沒有給出關于它將如何實現(xiàn)氣味數(shù)字化的具體細節(jié)，盡管威爾奇科已經(jīng)概述了基本想法?！澳阈枰齻€部分：一個傳感器，一張地圖和一臺打印機。傳感器感知物理世界并將原子轉(zhuǎn)換為比特。地圖幫助你解釋、存儲、壓縮和傳輸這些比特。這就像是色彩中的RGB和JPEG等技術(shù)。最后，你需要（打印機）將比特轉(zhuǎn)換回原子?！蓖柶婵普f，“我們認為現(xiàn)在是時候開始把這些組合起來了?！?/p>

該公司還沒有建立任何能夠?qū)馕恫蹲讲⑥D(zhuǎn)化為數(shù)字信號的傳感器，或者“打印”氣味的設備，但威爾奇科說，他們正在與外部研究人員合作來實現(xiàn)這一目標。威爾奇科稱這個問題“難得離譜”，并說這將需要多年的時間。

事實上，人類幾十年來一直在嘗試。例如，DigiScents iSmell，一種于1999年推出的用于臺式電腦的USB連接盒。它被設計為可以對在線收集的氣味數(shù)據(jù)進行編碼，然后“播放”出來。WIRED雜志曾聲稱，它將“引發(fā)下一次網(wǎng)絡革命”。但由于缺乏資金，該公司于2001年倒閉。

2014年，Vapor Communications推出了oPhone，一款連接到iPhone或iPad的設備，它允許用戶以信息的方式發(fā)送氣味。2016年，該公司還推出了一款名為Cyrano的“氣味揚聲器”，允許用戶“播放”一系列氣味，就像氣味的播放列表一樣。然而，這兩款產(chǎn)品都已不在市場上銷售。

- Hiroko Hashimoto -

最近，科技初創(chuàng)公司Feelreal試圖將香味融入虛擬現(xiàn)實頭盔中，但由于美國食品與藥物管理局將其歸類為電子煙產(chǎn)品，陷入了監(jiān)管方面的困難。這款頭盔至今尚未面世。

那么，為什么要將氣味數(shù)字化呢？對于威爾奇科和沃爾夫來說，這是因為氣味具有觸發(fā)記憶的特殊能力。沃爾夫說：“迄今為止，我們尚未能夠捕捉到這個可能是在進化過程中最重要的感覺，那就是我們的嗅覺。我們的嗅覺進化到能夠抵御危險，識別所愛之人，聞出腐爛食物，以及感受世界美好。這些感覺都是很難與人分享的，除非想分享的對象也在場。”

目前，他們將嘗試通過重現(xiàn)已有的香味和發(fā)掘新的香味來撼動香水行業(yè)。當威爾奇科把香氛瓶放回手提箱時，我在考慮我是否想噴上我試聞過的Osmo香氛。其中一款帶有玫瑰、風信子和新鮮綠葉的香氣。我平時用的香水，是一個法國品牌生產(chǎn)的玫瑰香，價格一直在穩(wěn)步上升，而且香味也在這些年里發(fā)生了變化。有一次，我在商店里問為什么會這樣：原來問題出在了玫瑰供應鏈上。

如果我能找到替代品，我想我可能替代它。

后記

Andrew：翻譯這篇文章的時候，我想到了一個很經(jīng)典的商業(yè)案例——香奈兒5號。香奈兒在設計這款香水的時候曾說過的一句話，時至今日仍被津津樂道：“我希望它聞起來像女人，而不是玫瑰”，這種設計理念使得香奈兒5號的調(diào)性里多了一抹人工合成的色彩，也成就了它后來一個世紀的輝煌。也許“成分天然”并不是一款香水成功的必要條件，反而是對香水設計的一種束縛。機器學習輔助進行香氣分析與生成也許會賦予香水設計更多素材與靈感，調(diào)香師的設計理念也會因此得到更恰當?shù)谋磉_，我很期待AI技術(shù)在不久的將來給香水行業(yè)帶來的變革。

作者：Emily Mullin

譯者：Andrew | 校對：P | 編輯：M.W.

排版：騏跡 | 封面：Danny Ivan

原文：

https://www.wired.com/story/this-startup-is-using-ai-to-unearth-new-smells/

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