計算機(jī)芯片如何擁有嗅覺

神經(jīng)擬態(tài)計算的未來：英特爾高級研究科學(xué)家Nabil Imam闡釋神經(jīng)擬態(tài)計算

 

2020 年 3 月 17 日——今天，《自然-機(jī)器智能》雜志報道了英特爾與美國康奈爾大學(xué)的科學(xué)家共同構(gòu)建數(shù)學(xué)算法的研究成果。在研究人員的指導(dǎo)下，Loihi 迅速掌握了 10 種不同氣味的神經(jīng)表征。

 

英特爾研究院科學(xué)家 Nabil Imam 在位于美國加州圣克拉拉的神經(jīng)擬態(tài)計算實驗室中，手持一塊 Loihi 神經(jīng)擬態(tài)測試芯片。他和美國康奈爾大學(xué)的一個研究小組正在計算機(jī)芯片上構(gòu)建數(shù)學(xué)算法，用于模擬人們聞到某種氣味時大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反應(yīng)。（圖片來源：Walden Kirsch/英特爾公司）

 

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)家展開合作。擁有神經(jīng)擬態(tài)計算博士學(xué)位的 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。”Loihi 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(jī)架構(gòu)之中。

首先，我們是如何識別氣味的：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、情緒和決策都有各自的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它們都以特定的方式進(jìn)行計算。

Loihi 學(xué)習(xí)檢測復(fù)雜混合物的不同氣味：Imam 和他的團(tuán)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，可對一個風(fēng)洞實驗中循環(huán)的 10 種氣體物質(zhì)（氣味）作出反應(yīng)。傳感器對各種氣味的反應(yīng)被傳送至 Loihi，由其芯片電路對嗅覺背后的大腦電路進(jìn)行模擬。Loihi 芯片迅速掌握了 10 種氣味各自的神經(jīng)表征，其中包括丙酮、氨和甲烷，即使有強(qiáng)烈的環(huán)境干擾也能識別出這些氣味。雖然你家中的煙霧和一氧化碳探測器能使用傳感器來探測氣味，但它們無法對各種氣味進(jìn)行區(qū)分；雖然它們一旦探測到空氣中的有害分子時會發(fā)出警報，卻無法對其進(jìn)行智能分類。

未來的應(yīng)用：Imam 表示，化學(xué)傳感領(lǐng)域多年來一直在尋找智能的、可靠的和快速響應(yīng)的化學(xué)傳感處理系統(tǒng)，或者稱之為“電子鼻系統(tǒng)”。他看到了搭載神經(jīng)擬態(tài)芯片的機(jī)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(jī)器人可應(yīng)用于機(jī)場安檢區(qū)域，能夠更高效地識別危險物質(zhì)。

在未來加入更多感官：Imam 表示，“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(qiáng)大的機(jī)器智能提供重要啟示。”

亟待克服的挑戰(zhàn)：Imam 表示，嗅覺領(lǐng)域存在著一些挑戰(zhàn)。當(dāng)你走進(jìn)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?dú)w為一類。Imam 表示：“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”。