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電腦晶片如何產生嗅覺

本文作者:英特爾       點擊: 2020-03-18 10:42
前言:

英特爾神經形態運算實驗室資深研究科學家Nabil Imam於美國加州聖塔克拉拉市的神經形態運算實驗室手持Loihi神經形態測試晶片。他和康乃爾大學的研究小組正於電腦晶片上建立數學演算法,以模仿聞到氣味後大腦神經網路中的運作模式。
 
英特爾實驗室神經形態運算小組資深研究科學家Nabil Imam與康乃爾大學的嗅覺神經生理學家(olfactory neurophysiologists)攜手合作。擁有神經形態運算博士學位的Imam解釋:「我在康乃爾大學的朋友們研究動物的生物嗅覺系統,並測量牠們聞到氣味後的大腦電波活動,根據這些電路圖和電子脈衝推導出一組演算法,並將它們設定在英特爾神經形態測試晶片『Loihi』上。」Loihi是英特爾的神經形態運算晶片,將生物大腦中發現的運算原理應用於電腦架構上。
 
《自然機器智慧》(Nature Machine Intelligence)期刊於今日介紹英特爾和康乃爾大學科學家建立數學演算法的研究。在研究人員的指導下,Loihi迅速學習了10種不同氣味的神經表徵。
 
如果您拿起一顆葡萄柚嗅聞,水果的分子會刺激您鼻腔中的嗅覺細胞(嗅覺這個詞源於拉丁文的「olfactare」,意思是「嗅聞」)。鼻腔中的細胞會立即向大腦的嗅覺系統發送信號,並透過一組相互連接的神經元內的電子脈衝產生嗅覺。無論您聞到的是葡萄柚、玫瑰或是有毒的氣體,大腦中的神經元網路都會產生專屬於該物體的感覺。同理,您的視覺和聽覺、回憶、情緒、決策都具有獨立的神經網路,並以特定的方式進行運算。
 
Imam和研究團隊採用了由72個化學感測器的活動所組成的資料集,以對應風洞(wind tunnel)中循環的10種氣態物質(氣味)。感測器對每種氣味的反應會被傳送到Loihi,讓晶片電路模仿以嗅覺為基礎的大腦電路。Loihi晶片可以快速學習10種氣味(包括丙酮、氨和甲烷)中每種氣味的神經表徵,即使在背景受到強烈干擾的情況下也能順利辨識。家中的煙霧和一氧化碳探測器也使用感測器來檢測氣味,但是它們無法區分不同的氣味;當它們檢測到空氣中的有害分子時會發出蜂鳴聲,但無法以智慧的方式對這些氣味分子進行分類。
 
Imam表示,化學感測領域多年來一直在尋找聰明、可靠和快速回應的化學感測處理系統,也就是所謂的「電子鼻系統(electronic nose systems)」。他認為配備神經形態晶片的機器人在環境監測和有害物質檢測或工廠品質控制方面極具潛力。它們可用於會散發出特殊氣味之疾病的醫學診斷。另一個例子是配備神經形態晶片的機器人可以更清楚地辨別機場安全線中的有害物質。
 
Imam表示:「我的下一步是將這種方法推展至範圍更廣泛的問題,從感官場景分析(了解觀察到的物體之間的關係)到像是計劃和決策等抽象問題。了解大腦的神經迴路如何解決這些複雜的運算問題,將為設計高效而強大的機器智慧提供重要線索。」
 
Imam表示嗅覺傳感方面仍存在挑戰。當人們走進雜貨店時,可能會聞到草莓的味道,但其氣味可能類似於藍莓或香蕉的氣味,因為它們在大腦中誘發非常相似的神經活動模式。有時人類甚至很難分辨出一種水果還是多種水果混合的香味。當系統聞到來自義大利的草莓和來自加州的草莓時可能會出錯,因為兩者可能具有不同的香氣,但卻需要歸為同一類。 Imam表示:「這些是我們正在努力解決的嗅覺信號辨識問題,我們希望在未來幾年內解決這類挑戰,打造能夠解決實際問題的產品,而不僅是解決我們在實驗室中演示的實驗性問題。」Imam將自身的研究視為「融合神經科學和人工智慧的當代研究之最佳典範」。
 
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標籤:Future of Technology、Intel Labs、Nabil Imam、Neuromorphic computing
 
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