你可能不知道,AI已经有了嗅觉系统……

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新一轮基于深度学习的人工智能,简单来说,就是让计算机系统架构模拟人的大脑,从而能够像“人”一样处理外界信息。

我们每个人对外界的感知主要有五大类,分别是视觉、听觉、味觉、嗅觉、触觉。

目前AI已经在视觉和听觉上做出一些可见的应用成果,比如自动驾驶中摄像头对前方障碍的识别,比如语音助手可以识别你的语音指令等等。

而其实,AI早已开始悄悄模仿嗅觉系统了。如果有一天这项技术能够应用,那么“闻香识女人”的技能就不再是人类的专利。

具体来说,现阶段嗅觉探索的成果主要是模仿嗅觉系统的结构原理,从而改善机器学习的一些问题。

和图像识别一样,AI的嗅觉探索也是对生物的模仿

在探明AI学习嗅觉的原理前,我们不妨先看看AI是如何学会识别人脸的。

目前领先的机器学习技术,都在部分模仿人眼的原理,说白了就是

对信息的分层提取

我们看到一个人,是迪丽热巴还是古力娜扎几乎是瞬间就能判断的。实际上,这个过程非常复杂:大脑视觉皮层接收到光信号后,会首先选取一些小的、明确的特点,比如物体的边缘、结构、颜色等,这些视觉信息在大脑皮层神经元中层层传递,把信息组合起来,对物体就有了从抽象到清晰的判断。

这其中,神经网络的每一层都发挥着不同的作用,从而帮助大脑实现这一目标。

反正臣妾做不到

计算机的深度神经网络,也是用类似的分层方式搭建的,所以你可以称其为仿生学的胜利。

但想要教会AI辨认巴巴和扎扎,还需要输入上千张样本图片,提供精妙的算法和足够强大的运算设备,之后AI会学会提取面部的关键信息,在不同的照片中找出两人的不同特征来做区分。

当然,区分图片还属于小事一桩,当AI处在一个相对复杂的环境中(比如大马路上),受视觉系统启发的深度学习技术可能就会失灵。

当自动驾驶车在新环境中实时导航时,由于环境复杂而且不确定性很强,这时候,光靠视觉导航可能就会出bug了。

加利福尼亚的计算机科学家Saket Navlakha认为,视觉和嗅觉是不同类型的信号,两种刺激都不是按同一种方式进行处理的,所以可能不同的数据需要用不同的方法处理。鉴于人脑对嗅觉信号处理的复杂性,他们决定从研究昆虫的嗅觉系统开始。

嗅觉识别与图像识别的区别

传统的深度学习技术受视觉系统启发,你所看见的事物可以被分解为结构、线条等细节,可以被分类,进行层层的细节学习。

但是味道却不同,它们是各种成分和浓度的混合体,想想冬天理科班教室的味道你就懂了。

味道是非结构化的

,没有线条这些明显的特征,在空间中很难对它进行分类,在识别的时候,很难确定应该去关注哪些特征。

气味是混合的,也就意味着,嗅觉系统中的神经元只需对整个接收区域随机采样,因此要做数据分析,它的神经网络不需要太复杂,不需要视觉识别系统那么多层级,这也是嗅觉识别系统的优势所在。

以果蝇的嗅觉循环为例:50个投射神经元从接收器中接收了输入,每种神经元可以感知不同气味,而一种气味也能让不同神经元产生反应。

经过第一层感应后,信息会非常杂乱,在不同的神经元上也会有重叠。之后,信息进入下一层,被随机投射到2000多个Kenyon细胞上,这样就使得对气味的分辨更加容易。

但最后,依然需要让神经元用非重叠的方式来区分味道,于是就有了第三层神经网络,里面有大约100个Kenyon细胞,只对特定的气味产生反应,于是每种气味就有了各自唯一的标签,

这就是我们经常所说的数据“稀疏化”。

2009年,英国斯科塞斯大学的Thomas Nowotny和同事,搭建了一种基于昆虫的嗅觉的模型,用来识别气味,也可以识别手写的数字。即使去除了大部分神经元,也不会过度影响模型性能。

可惜的是,在这之后,就很少有相关研究出现,直到最近,一些科学家们开始循着这条思路,继续探索生物嗅觉系统,在优化机器学习方面的作用。

嗅觉系统研究的成果

目前比较重要的两个成果,都是模仿嗅觉系统,提高模型训练的效率。来自华盛顿大学的Delahunt和他的同事们,用飞蛾的嗅觉系统作为基础搭建了模型,和传统的机器学习模型进行了对比。

从结果上来看,当样本少于20个时,基于飞蛾的模型能更好地识别出手写数字,但是随着训练数据的增加,其他的传统模型也能得出更精确的结果。

从学习速度上来看,嗅觉系统似乎表现得更好,因为嗅觉系统的学习不再是寻找最佳特征和表示,而是减少了辨认大量随机、无用特征的机会。南方医科大学的生物学家Fei Peng表示:“如果能点击一下鼠标就能完成训练,不就太完美了吗?”

另一个嗅觉系统的著名案例是去年Navlakha实验室的成果,研究者们想找到一种基于嗅觉的方法,利用相似性进行搜索。

就比如你每天看婴儿床,淘宝就很可能给你推荐尿不湿一样,这种推荐就是基于相似性。

同样的道理,器官也要在辨认气味时快速做出对比和判断。例如果蝇,最初可能会学习接近成熟的香蕉味道,远离醋味,但是由于环境非常复杂,当它感知到一种新味道后,果蝇要思考现在的味道和之前闻过的哪种气味更接近,这样才能做出正确的反应。

Navlakha 因此创造了一种基于气味相似性的搜索算法,并且将其应用到了图片数据集上,他和他的团队发现他们的算法比传统的非生物方法好两到三倍。

除此之外,基于蚂蚁的嗅觉模型,科学家们还在研究它们是如何进行导航的,Nowotny在做嗅觉系统对混合物处理上的研究,他想知道一个器官,如何在多种味道的混合中分辨出一种特定的味道。

这个研究可能对AI领域的“鸡尾酒问题”有所帮助。(“鸡尾酒会问题”:cocktail party problem,是在计算机语音识别领域的一个问题,当前语音识别技术已经可以较高精度识别一个人所讲的话,但是当说话的人数为两人或者多人时,语音识别率就会极大的降低)

嗅觉系统的结构牵涉到记忆和导航,以及负责运动控制的小脑,目前研究人员已经开始转向认知过程的研究,比如注意力和各种形式的记忆,嗅觉可以提供一种更简单的方法来建立这些连接,也有望能够改进当前机器学习架构和机制,这也许是进入下一代神经网络思考的切入点。

从根本上来说就是回归,回到最基本的、最原始的概念,让这些对于人来说看上去是“先天”的技能,内化为机器的结构和作用原理,转而为人来服务。

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