圖片來源@視覺中國
模擬人類感知的人工智能技術(shù)，我們已經(jīng)介紹過很多了，而今天我們要關(guān)注一種新的感知智能——嗅覺AI。
正如人類在“眼耳鼻舌身”這些不同感覺器官在獲取信息中所占的比重不同，在AI技術(shù)當(dāng)中的感知智能也幾乎呈現(xiàn)出相似結(jié)構(gòu)的比重，其中，機(jī)器視覺的比重最大，可謂是一枝獨(dú)秀，幾乎是市面上人工智能應(yīng)用的代名詞。另外一種是聽覺智能，主要應(yīng)用是在語音語義識別，其他類型的聲音識別也有一些應(yīng)用出現(xiàn)，而其他感知智能的開發(fā)占比就更小的多了。
根據(jù)最近幾年的觀察，研究人員已經(jīng)對氣體的AI識別，特別是對氣體或液體的有害性識別上有所進(jìn)展?，F(xiàn)在研究人員對于食物的氣味識別，有了新的嗅覺智能的解決方案。
最近，新加坡南洋理工大學(xué)(NTU Singapore)的一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種嗅覺AI系統(tǒng)，通過模仿我們?nèi)祟惖谋亲?，借助一個(gè)“條形碼”閱讀器作為中介，來識別肉類食物的新鮮程度。
初次看到這一研究，很多人覺得跟人類的嗅覺能力相比，應(yīng)用范圍實(shí)在太窄。但經(jīng)驗(yàn)告訴我們，一旦專業(yè)性的AI應(yīng)用在大規(guī)模普及的實(shí)際場景中，將可以帶來非常驚人的生產(chǎn)力提升效果。而基于這一項(xiàng)嗅覺AI的研究，在食物的新鮮度檢測上面，將可能大有作為。
緣起：為什么要做食物新鮮度檢測？
餐桌上的浪費(fèi)，已經(jīng)成了很多人日常生活中可以熟視無睹的一種常態(tài)。相比較這種“看得見”的浪費(fèi)，那些在食物被做好端上餐桌之前的浪費(fèi)則更加隱蔽，浪費(fèi)也更加嚴(yán)重。
根據(jù)全球農(nóng)業(yè)與食品營養(yǎng)問題委員會(huì)的一份報(bào)告，全世界每年浪費(fèi)13億噸糧食，總價(jià)值在1萬億美元，而其中三分之一在端上餐桌前就已經(jīng)被浪費(fèi)掉。其中，每年超過半數(shù)的水果和蔬菜被浪費(fèi)掉，25%的肉類沒能端上餐桌還有像種子、堅(jiān)果、奶制品以及海產(chǎn)品等高營養(yǎng)價(jià)值的食物因保存不當(dāng)被浪費(fèi)掉。與此同時(shí)，全世界有30億人處在食物缺乏或營業(yè)不均衡狀態(tài)。
全球性的糧食危機(jī)和食物的結(jié)構(gòu)性浪費(fèi)問題，是一個(gè)舉世公認(rèn)的難題。除了呼吁富裕地區(qū)的消費(fèi)者在購買食材、消費(fèi)食物的過程中奉行節(jié)約、適量、打包等原則外，還有另外一個(gè)解決途徑就是重新優(yōu)化食物生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸和售賣的各個(gè)環(huán)節(jié)，減少這個(gè)階段的食物損耗。
具體到食物的流通環(huán)節(jié)，有大量食物是因?yàn)殚L相不好就被零售商丟掉，有一些容易腐爛的食物則會(huì)在運(yùn)輸、儲存和冷凍過程中壞掉，還有更多食物是在貨架上臨近保質(zhì)期而被扔掉，也有大量食物在消費(fèi)者購買回家后來不及食用而被丟掉。
在這個(gè)過程中，我們可以注意到，新鮮度對于這些食物是否會(huì)被丟棄非常重要。如何隨時(shí)檢測這些食物的新鮮度，并且區(qū)分出不同的銷售日期或者給出更為優(yōu)惠的價(jià)格，將可以更好地促進(jìn)這些食物的出售；同樣對于已經(jīng)被消費(fèi)者買到家的食物，一些人會(huì)對不太新鮮的食物保持警惕而直接扔掉，也有一些人可能無法判斷食物的腐爛情況而照單全收，這樣又可能會(huì)造成食物健康風(fēng)險(xiǎn)。
通常來說，我們都是靠著個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和自己的嗅覺能力來判斷這些食物的新鮮程度，但顯然食物零售商們做不到雇人隨時(shí)檢測變化來評估食物的使用周期，消費(fèi)者做不到對冰箱里的生鮮食物做到準(zhǔn)確判斷。
如果有一套能夠準(zhǔn)確測算，又就如同塑料包裝一樣便宜好用的設(shè)備來對食物進(jìn)行新鮮度監(jiān)測的話，那就可以極大提高食物的利用效率，比單純張貼一個(gè)固定的建議食用日期，更能夠反映食物的可食用狀態(tài)。
現(xiàn)在，新加坡南洋理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)明的這套嗅覺AI系統(tǒng)，將為解決這一問題打開一個(gè)新的思路。
AI電子鼻：為肉類新鮮度標(biāo)上“氣味指紋”
實(shí)現(xiàn)嗅覺AI，有一個(gè)關(guān)鍵問題是如何將嗅覺的對象——“氣味”進(jìn)行數(shù)據(jù)化統(tǒng)計(jì)？
從目前看到的研究方向來說，有以下幾種方式。一種是還原的方式，比如谷歌的科學(xué)家們采用的方式就是通過氣味的識別模型來推到出氣體的分子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而再推到大腦嗅覺感知的運(yùn)作方法。一種是模擬的方式，比如尼日利亞的一個(gè)研究小組直接用生物傳感器和芯片來識別特定氣味，他們研發(fā)了一種使用小鼠神經(jīng)元制造的計(jì)算機(jī)芯片，可以通過氣味訓(xùn)練，用來檢測揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)、爆炸物甚至是癌癥等疾病的氣味。
由于氣味本身具有非常高度混合性或者非結(jié)構(gòu)化特征，往往很難直接對氣體的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行還原或進(jìn)行模擬分析，否則只能變成對某些單一氣體進(jìn)行分辨和識別。
這一次，新加坡南大團(tuán)隊(duì)發(fā)明的這種嗅覺AI系統(tǒng)則是對“氣味”的數(shù)據(jù)化進(jìn)行兩個(gè)步驟的拆解，將氣味的化學(xué)信號轉(zhuǎn)變成圖形顏色的識別信號，解決了氣味本身的復(fù)雜度問題。
這個(gè)嗅覺AI系統(tǒng)被稱為“電子鼻”（e-nose），保護(hù)兩個(gè)部分：1、條形碼：能夠根據(jù)肉類腐爛時(shí)產(chǎn)生的氣體而改變顏色；2、閱讀器：一個(gè)經(jīng)過深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法驅(qū)動(dòng)的手機(jī)應(yīng)用程序。電子鼻的“閱讀器”可以根據(jù)大量的條形碼顏色庫當(dāng)中識別和預(yù)測肉類的新鮮程度。
另外，為了使電子鼻便于攜帶，研究者將其整合到一個(gè)智能手機(jī)應(yīng)用中，可以在30秒內(nèi)得出結(jié)果。
首先，電子鼻的條形碼模擬了我們?nèi)祟愋嵊X的工作方式。當(dāng)腐爛的肉類食物產(chǎn)生的氣體和我們鼻子中的受體結(jié)合的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生特定信號傳送給大腦，大腦根據(jù)這些信號并給出相應(yīng)的模式，使得我們能夠判斷這些肉類食物的腐爛的程度。
2004年諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng)得主理查德阿克塞爾和琳達(dá)巴克曾經(jīng)在嗅覺機(jī)理研究中發(fā)現(xiàn)，人類雖然只有1000種左右的嗅覺基因(細(xì)胞類型)，但可以感受和辨識10000種以上的氣味化學(xué)物質(zhì)，這種辨別氣味的復(fù)雜度可以逆天，當(dāng)然還遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上狗狗的能力。
而在電子鼻的條形碼中，有20個(gè)條碼，條碼是由一種裝載了不同類型燃料的纖維素殼聚糖制成的，這些燃料會(huì)跟肉類釋放的氣體發(fā)生反應(yīng)，并根據(jù)不同類型和濃度的氣體而改變顏色，從而形成獨(dú)特的顏色組合，相當(dāng)于一種肉類狀態(tài)的獨(dú)特的“氣味指紋”。
例如，條形碼中的第一條含有一種呈弱酸性的黃色燃料，在跟肉類腐爛產(chǎn)生的胺化物接觸時(shí)，就會(huì)從黃色變?yōu)樗{(lán)色，而且隨著胺化物濃度的增加而加深顏色。
那么，如何讓“閱讀器”能夠識別這些“氣味指紋”并能識別肉類的新鮮度呢？
第二步就是，研究者要先按照肉類新鮮度的國際標(biāo)準(zhǔn)制定一個(gè)分類系統(tǒng)，然后在真實(shí)環(huán)境下對不同時(shí)間的儲存的肉類進(jìn)行條形碼的檢測和圖像拍攝，并按照新鮮度進(jìn)行分類。然后用不同條碼的圖像訓(xùn)練相應(yīng)的嗅覺算法，建立起“氣味指紋”和不同類別新鮮度對應(yīng)的模式。
第三步，模型建立起來之后，研究者就可以測試電子鼻的預(yù)測準(zhǔn)確度了。研究人員分別對商業(yè)包裝好的雞肉、魚肉和牛肉的新鮮度進(jìn)行了新鮮度測試。在48小時(shí)內(nèi)，對六種肉類以不同的時(shí)間間隔拍攝了超過4000張的條形碼圖像，其中3475張用于訓(xùn)練捕捉到氣味指紋的模式，其余用于準(zhǔn)確性測試。最終結(jié)果顯示，總體準(zhǔn)確率到達(dá)98.5%，其中變質(zhì)肉類的準(zhǔn)確率100%，識別為新鮮和不太新鮮肉類的準(zhǔn)確率為96%和99%。
對于嗅覺AI模型達(dá)到這樣的準(zhǔn)確度，我們其實(shí)并不感到意外，雖然人類在識別這些條碼顏色上可能會(huì)陷入混亂，但是對于計(jì)算機(jī)來識別這些條碼顏色，而且只有三種結(jié)果分類來說，簡直是小菜一碟。
其實(shí)對于一個(gè)實(shí)驗(yàn)室中的AI模型而言，我們可能更關(guān)心的是其是否有落地應(yīng)用的可能？
嗅覺AI，每一份食物新“標(biāo)配”？
那么，這款專門用于“肉類新鮮度”識別的電子鼻是否有商用的前景呢？
可能性是有的。首先嗅覺AI的識別準(zhǔn)確度顯著高于目前常用的一些判斷方法，而在識別效率上又明顯優(yōu)于人類的肉眼。
其次是條形碼的環(huán)保材料和低廉成本，使其很容易集成到包裝材料中，并且因其可生物降解性和無毒特性，能夠保證環(huán)保的情況下用于食品供應(yīng)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)，又因其不需要不知笨重的信號收集線的采集方式，也使其能夠大量應(yīng)用于生產(chǎn)和生活場景。
第三是可食用日期的精準(zhǔn)預(yù)測會(huì)帶來肉類的更好銷售。對于商家而言，可以根據(jù)對肉類新鮮程度的判斷給出更精準(zhǔn)的保質(zhì)期，從而可以給出更好的價(jià)格策略，來對不同日期的肉類進(jìn)行標(biāo)價(jià)。對于消費(fèi)者而言，也可以按照這些肉類的新鮮度來安排烹飪的先后時(shí)間。
我們也可能質(zhì)疑這一款應(yīng)用的實(shí)用性。因?yàn)閷τ诤芏嘞M(fèi)者而言，買回家的肉類如果一下子吃不完就直接扔到冷凍柜中，也就不在乎什么新鮮度的問題。
確實(shí)，如果將嗅覺AI僅用于肉類這一個(gè)場景，其實(shí)并沒有解決多少的食物浪費(fèi)問題。商家更多扔掉的是那些看起來賣相不佳的瓜果蔬菜，我們也常常對那些拿不準(zhǔn)的食材產(chǎn)生懷疑，并隨手丟棄。
顯然，這一嗅覺AI應(yīng)該擴(kuò)大可以準(zhǔn)確識別的食物種類。根據(jù)介紹，目前該方案已經(jīng)申請專利，該團(tuán)隊(duì)正在和新加坡的一家農(nóng)業(yè)企業(yè)進(jìn)行合作，將這一設(shè)備應(yīng)用到其他種類的容易腐爛的食物上面。
有時(shí)候，我們總是高估那些顛覆性的創(chuàng)新的價(jià)值，而忽視那些微小的改進(jìn)型的創(chuàng)新的價(jià)值。有時(shí)候，我們總是嘲笑那些笨拙的、簡單的發(fā)明，而過分相信那些精巧的、細(xì)致的人類工藝。但工業(yè)革命的歷史告訴我們，每一個(gè)改變生產(chǎn)力方式的變革都是從那些笨拙、粗糙和緩慢迭代的發(fā)明中出現(xiàn)的，就如那最初的蒸汽火車、那簡陋的電報(bào)機(jī)、那手工焊接出來的晶體管，而像人工智能同樣如此，一開始可能只能認(rèn)出很狹窄的一點(diǎn)事物，但隨著學(xué)習(xí)能力的增加和無限可復(fù)制的特性，很快就可以在某些領(lǐng)域超越人類中的高手。
顯然，嗅覺AI，我相信，也具有同樣的潛力，雖然如今只是一個(gè)從實(shí)驗(yàn)室走出的“弱雞”，但也許有一天就如同價(jià)簽、二維碼一樣，成為我們?nèi)粘Ｉ钪袩o處不在的存在，成為每一份新鮮食物的標(biāo)配。
通過嗅覺AI和更多傳感器的分析和預(yù)測，告訴我們關(guān)于食物的新鮮度、營養(yǎng)水平、碳排放以及與世界其他地區(qū)的關(guān)系，讓我們參與到一場全世界食物更公平分配的宏大愿景中。
