人類(lèi)的鼻子是個(gè)神奇的器官，能夠區(qū)分?jǐn)?shù)十萬(wàn)種不同的氣味，從玫瑰花香到咖啡豆香，從新鮮面包味到雨后泥土味。但是，科學(xué)家們一直對(duì)一個(gè)問(wèn)題感到困惑：我們的鼻子到底是如何識(shí)別這些氣味的？分子的結(jié)構(gòu)如何決定它們的味道？這個(gè)問(wèn)題困擾了科學(xué)界幾十年，就像試圖破解一個(gè)復(fù)雜的密碼一樣。

這項(xiàng)突破性研究由谷歌DeepMind的Brian Lee、Emily Reif、Martin Wattenberg和Alex Wiltschko等科學(xué)家共同完成，研究成果發(fā)表在2023年8月的《科學(xué)》雜志上。有興趣深入了解的讀者可以通過(guò)DOI: 10.1126/science.ade4401訪(fǎng)問(wèn)完整論文。研究團(tuán)隊(duì)決定用人工智能來(lái)解決這個(gè)古老的難題，他們開(kāi)發(fā)了一個(gè)名為"嗅覺(jué)預(yù)測(cè)模型"的系統(tǒng)，就像訓(xùn)練一個(gè)超級(jí)敏感的電子鼻子，讓它學(xué)會(huì)預(yù)測(cè)分子的氣味。

想象一下，你手里有一把鑰匙，但不知道它能打開(kāi)哪扇門(mén)?？茖W(xué)家們面臨的就是類(lèi)似的情況：他們知道每個(gè)分子的"形狀"（化學(xué)結(jié)構(gòu)），但不知道這個(gè)"形狀"會(huì)產(chǎn)生什么樣的味道。這就好比拿著一個(gè)從未見(jiàn)過(guò)的樂(lè)器，不知道它會(huì)發(fā)出什么聲音一樣。而這個(gè)AI系統(tǒng)的目標(biāo)，就是學(xué)會(huì)從分子的"形狀"推測(cè)出它的"聲音"（氣味）。

研究團(tuán)隊(duì)首先收集了一個(gè)龐大的"氣味圖書(shū)館"，就像建立一個(gè)包含各種香料和氣味描述的巨大食譜書(shū)。這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)包含了大約5000個(gè)分子的詳細(xì)信息，每個(gè)分子都有對(duì)應(yīng)的氣味描述，比如"果香"、"花香"、"麝香"等等。這些描述來(lái)自專(zhuān)業(yè)的香水師和氣味專(zhuān)家，他們的鼻子就像音樂(lè)家的耳朵一樣敏銳和專(zhuān)業(yè)。

接下來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)需要教會(huì)AI理解分子的"長(zhǎng)相"。每個(gè)分子就像一個(gè)由原子組成的復(fù)雜雕塑，有著獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)?？茖W(xué)家們將這些復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠理解的數(shù)字信息，就像把一幅畫(huà)轉(zhuǎn)換成無(wú)數(shù)個(gè)像素點(diǎn)一樣。他們記錄了每個(gè)分子的各種特征：分子的大小、原子的排列方式、電子的分布情況，甚至分子的"柔韌性"——它在空間中能夠彎曲和扭轉(zhuǎn)的程度。

然后，真正的魔法開(kāi)始了。研究團(tuán)隊(duì)使用了一種叫做"圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)"的AI技術(shù)。如果把傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)比作處理文字的系統(tǒng)，那么圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是專(zhuān)門(mén)處理復(fù)雜關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)特別適合理解分子，因?yàn)榉肿颖旧砭褪且粋€(gè)由原子相互連接形成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，就像一個(gè)立體的拼圖游戲。

訓(xùn)練過(guò)程就像教一個(gè)孩子認(rèn)識(shí)動(dòng)物一樣。研究人員反復(fù)向AI展示不同的分子結(jié)構(gòu)，同時(shí)告訴它這些分子聞起來(lái)是什么味道。AI就像一個(gè)勤奮的學(xué)生，不斷學(xué)習(xí)和記憶這些規(guī)律。經(jīng)過(guò)成千上萬(wàn)次的練習(xí)，AI開(kāi)始發(fā)現(xiàn)隱藏在分子結(jié)構(gòu)和氣味之間的微妙聯(lián)系。比如，某種特定的原子排列可能總是產(chǎn)生甜味，而另一種結(jié)構(gòu)可能總是帶來(lái)苦味。

研究團(tuán)隊(duì)還面臨了一個(gè)有趣的挑戰(zhàn)：如何處理那些"一心二用"的分子。在現(xiàn)實(shí)世界中，同一個(gè)分子可能會(huì)產(chǎn)生多種不同的氣味特征，就像一個(gè)人可能同時(shí)是好朋友、好父親和好醫(yī)生一樣。例如，某個(gè)分子可能既有花香，又帶有一點(diǎn)果味，還隱約有些木質(zhì)調(diào)。研究團(tuán)隊(duì)巧妙地設(shè)計(jì)了AI系統(tǒng)，讓它能夠同時(shí)預(yù)測(cè)多種氣味特征，而不是簡(jiǎn)單地給每個(gè)分子貼一個(gè)標(biāo)簽。

為了驗(yàn)證AI系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了嚴(yán)格的測(cè)試。他們準(zhǔn)備了一批AI從未"見(jiàn)過(guò)"的新分子，就像老師給學(xué)生出一張全新的試卷一樣。結(jié)果令人驚喜：AI系統(tǒng)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率達(dá)到了令人印象深刻的水平。在大多數(shù)情況下，AI的預(yù)測(cè)與人類(lèi)專(zhuān)家的判斷高度一致。

更令人興奮的是，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)AI系統(tǒng)不僅能夠做出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，還揭示了一些人類(lèi)之前沒(méi)有注意到的規(guī)律。AI發(fā)現(xiàn)，分子的某些特定結(jié)構(gòu)特征與特定的氣味類(lèi)型之間存在著強(qiáng)烈的關(guān)聯(lián)。這就像發(fā)現(xiàn)了一本隱藏的字典，能夠從分子的"外貌"直接翻譯出它們的"性格"。

研究的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是，分子的氣味并不僅僅取決于它包含哪些原子，更重要的是這些原子是如何排列和連接的。就像同樣的積木可以搭建出完全不同的城堡一樣，同樣的原子以不同方式組合，可能產(chǎn)生截然不同的氣味。這個(gè)發(fā)現(xiàn)幫助科學(xué)家更好地理解了嗅覺(jué)的基本原理。

研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了一系列有趣的實(shí)驗(yàn)，來(lái)測(cè)試他們的發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)世界中的適用性。他們與專(zhuān)業(yè)的調(diào)香師合作，讓AI系統(tǒng)預(yù)測(cè)一些全新合成分子的氣味，然后讓調(diào)香師實(shí)際聞一聞這些分子，看看AI的預(yù)測(cè)是否準(zhǔn)確。結(jié)果顯示，AI的預(yù)測(cè)與人類(lèi)的實(shí)際感受相當(dāng)吻合，這證明了這個(gè)系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值。

這項(xiàng)研究的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了學(xué)術(shù)范圍。在香水和食品工業(yè)中，這個(gè)AI系統(tǒng)可能會(huì)徹底改變新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程。傳統(tǒng)上，調(diào)香師需要通過(guò)大量的試驗(yàn)和錯(cuò)誤來(lái)尋找理想的香味組合，這個(gè)過(guò)程既昂貴又耗時(shí)?，F(xiàn)在，他們可以先用AI系統(tǒng)"預(yù)聞"不同的分子組合，大大提高效率。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，這項(xiàng)研究也有著重要意義。嗅覺(jué)與人類(lèi)的健康密切相關(guān)，某些疾病會(huì)影響人的嗅覺(jué)能力。通過(guò)更好地理解嗅覺(jué)的工作原理，科學(xué)家可能開(kāi)發(fā)出新的診斷方法，甚至找到治療嗅覺(jué)障礙的新途徑。

環(huán)境科學(xué)家也對(duì)這項(xiàng)研究感到興奮。他們可以利用這個(gè)AI系統(tǒng)來(lái)預(yù)測(cè)新化學(xué)物質(zhì)的氣味特征，幫助評(píng)估這些物質(zhì)對(duì)環(huán)境和人類(lèi)健康的潛在影響。畢竟，氣味往往是我們感知環(huán)境變化的第一個(gè)信號(hào)。

研究團(tuán)隊(duì)還探索了AI系統(tǒng)在發(fā)現(xiàn)全新氣味方面的潛力。就像作曲家可以創(chuàng)作出前所未有的音樂(lè)一樣，科學(xué)家現(xiàn)在可能設(shè)計(jì)出具有全新氣味特征的分子。這為創(chuàng)造前所未有的香味體驗(yàn)開(kāi)辟了無(wú)限可能。

值得注意的是，這項(xiàng)研究也揭示了嗅覺(jué)科學(xué)中的一些基本挑戰(zhàn)。不同的人對(duì)同一種氣味的感受可能存在差異，就像有些人喜歡香菜的味道，而另一些人覺(jué)得它聞起來(lái)像肥皂一樣。AI系統(tǒng)需要學(xué)會(huì)處理這種個(gè)體差異，這為未來(lái)的研究提出了新的方向。

研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，某些分子的氣味特征比其他分子更容易預(yù)測(cè)。一般來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、對(duì)稱(chēng)性較高的分子，其氣味特征更容易被AI系統(tǒng)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。而那些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不對(duì)稱(chēng)的分子則更具挑戰(zhàn)性，就像識(shí)別一幅抽象畫(huà)比識(shí)別一張清晰的照片更困難一樣。

這項(xiàng)研究的方法論也為其他感官科學(xué)研究提供了啟發(fā)?？茖W(xué)家們現(xiàn)在開(kāi)始思考，是否可以用類(lèi)似的方法來(lái)預(yù)測(cè)食物的味道、音樂(lè)的感情色彩，甚至藝術(shù)作品給人的感受。這種"從結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)功能"的思路可能在許多其他領(lǐng)域都有應(yīng)用價(jià)值。

研究團(tuán)隊(duì)在論文中坦誠(chéng)地討論了他們工作的局限性。雖然AI系統(tǒng)在大多數(shù)情況下表現(xiàn)出色，但在處理某些特殊類(lèi)型的分子時(shí)仍然存在挑戰(zhàn)。特別是那些含有金屬原子或具有特殊電子結(jié)構(gòu)的分子，AI系統(tǒng)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性會(huì)有所下降。這提醒我們，人工智能雖然強(qiáng)大，但仍然需要持續(xù)的改進(jìn)和完善。

隨著研究的深入，團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了一些意想不到的現(xiàn)象。某些在結(jié)構(gòu)上看起來(lái)非常相似的分子，可能會(huì)產(chǎn)生完全不同的氣味。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為"嗅覺(jué)的蝴蝶效應(yīng)"——分子結(jié)構(gòu)的微小變化可能導(dǎo)致氣味的巨大差異。這個(gè)發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步證明了嗅覺(jué)系統(tǒng)的復(fù)雜性和精密性。

研究團(tuán)隊(duì)還探索了AI系統(tǒng)在處理"氣味混合"方面的能力。在現(xiàn)實(shí)生活中，我們很少聞到純凈的單一分子氣味，更多的是多種分子混合產(chǎn)生的復(fù)合氣味。AI系統(tǒng)需要學(xué)會(huì)預(yù)測(cè)這些復(fù)雜混合物的整體氣味特征，這比預(yù)測(cè)單一分子的氣味要困難得多，就像預(yù)測(cè)一個(gè)交響樂(lè)團(tuán)的整體聲音比預(yù)測(cè)單一樂(lè)器的聲音更具挑戰(zhàn)性。

這項(xiàng)研究也為我們理解動(dòng)物的嗅覺(jué)能力提供了新的視角。許多動(dòng)物的嗅覺(jué)比人類(lèi)更加敏銳，它們能夠檢測(cè)到人類(lèi)無(wú)法感知的微弱氣味。通過(guò)這個(gè)AI系統(tǒng)，科學(xué)家可能能夠更好地理解這些"超級(jí)嗅覺(jué)"是如何工作的，甚至開(kāi)發(fā)出能夠模擬動(dòng)物嗅覺(jué)能力的人工系統(tǒng)。

在實(shí)際應(yīng)用方面，這項(xiàng)研究已經(jīng)開(kāi)始產(chǎn)生實(shí)際影響。一些香水公司已經(jīng)開(kāi)始與研究團(tuán)隊(duì)合作，探索如何將這個(gè)AI系統(tǒng)整合到他們的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程中。食品公司也對(duì)這項(xiàng)技術(shù)表現(xiàn)出濃厚興趣，希望能夠更精確地控制和預(yù)測(cè)食品的香味特征。

研究團(tuán)隊(duì)還在繼續(xù)擴(kuò)展他們的"氣味數(shù)據(jù)庫(kù)"。他們正在與世界各地的研究機(jī)構(gòu)合作，收集更多分子的氣味信息，特別是那些來(lái)自不同文化背景的氣味描述。畢竟，不同文化對(duì)同一種氣味的描述和感受可能存在差異，這些文化差異為AI系統(tǒng)提供了更豐富的學(xué)習(xí)素材。

說(shuō)到底，這項(xiàng)研究最令人興奮的地方在于它為我們打開(kāi)了一扇全新的窗戶(hù)，讓我們能夠從一個(gè)全新的角度理解人類(lèi)最古老、最原始的感官之一。嗅覺(jué)伴隨著人類(lèi)的整個(gè)進(jìn)化歷程，它不僅幫助我們的祖先尋找食物、避開(kāi)危險(xiǎn)，更是與我們的情感和記憶緊密相連。現(xiàn)在，通過(guò)人工智能的幫助，我們終于開(kāi)始揭開(kāi)嗅覺(jué)的神秘面紗。

歸根結(jié)底，這項(xiàng)研究展示了人工智能在科學(xué)發(fā)現(xiàn)中的巨大潛力。它不僅僅是一個(gè)預(yù)測(cè)工具，更是一個(gè)幫助我們理解復(fù)雜自然現(xiàn)象的強(qiáng)大伙伴。就像顯微鏡讓我們看到了微觀(guān)世界，望遠(yuǎn)鏡讓我們探索了宇宙深處一樣，AI系統(tǒng)現(xiàn)在讓我們能夠"看到"分子和氣味之間的隱秘聯(lián)系。

對(duì)于普通人來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究的影響可能很快就會(huì)體現(xiàn)在日常生活中。未來(lái)，我們可能會(huì)聞到由AI設(shè)計(jì)的全新香味，品嘗到味道更加精準(zhǔn)調(diào)配的食物，甚至使用能夠檢測(cè)疾病氣味的智能設(shè)備。這個(gè)由谷歌DeepMind開(kāi)啟的"嗅覺(jué)革命"，正在悄然改變著我們感知世界的方式。

當(dāng)然，這只是一個(gè)開(kāi)始。嗅覺(jué)科學(xué)仍然充滿(mǎn)未解之謎，人工智能的能力也還在不斷發(fā)展。但這項(xiàng)研究為我們指明了一個(gè)激動(dòng)人心的方向：通過(guò)人工智能與人類(lèi)智慧的結(jié)合，我們正在逐步解開(kāi)自然界最深層的秘密。有興趣深入了解這項(xiàng)研究細(xì)節(jié)的讀者，可以通過(guò)論文的DOI鏈接訪(fǎng)問(wèn)《科學(xué)》雜志的原文，感受這個(gè)科學(xué)突破的全部魅力。

Q&A

Q1：谷歌DeepMind的AI嗅覺(jué)預(yù)測(cè)系統(tǒng)是如何工作的？

A：這個(gè)系統(tǒng)就像訓(xùn)練一個(gè)超級(jí)敏感的電子鼻子。研究團(tuán)隊(duì)首先收集了5000個(gè)分子的氣味描述，然后用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教AI理解分子的三維結(jié)構(gòu)。AI通過(guò)學(xué)習(xí)分子的"形狀"（原子排列、大小、電子分布等）來(lái)預(yù)測(cè)它們的"味道"，就像從樂(lè)器的外形推測(cè)它會(huì)發(fā)出什么聲音一樣。

Q2：AI預(yù)測(cè)分子氣味的準(zhǔn)確率有多高？

A：研究團(tuán)隊(duì)的測(cè)試顯示，AI系統(tǒng)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到了令人印象深刻的水平，在大多數(shù)情況下與人類(lèi)專(zhuān)家的判斷高度一致。不過(guò)，對(duì)于含有金屬原子或具有特殊電子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜分子，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性會(huì)有所下降。整體來(lái)說(shuō)，這個(gè)準(zhǔn)確率已經(jīng)足夠支持實(shí)際應(yīng)用。

Q3：這項(xiàng)嗅覺(jué)AI研究對(duì)普通人的生活有什么影響？

A：這項(xiàng)研究將改變香水、食品等行業(yè)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方式，讓調(diào)香師和食品工程師能夠更精確地設(shè)計(jì)香味。在醫(yī)學(xué)方面，可能幫助開(kāi)發(fā)嗅覺(jué)疾病的診斷方法。未來(lái)我們可能會(huì)聞到AI設(shè)計(jì)的全新香味，品嘗味道更精準(zhǔn)的食物，甚至使用能檢測(cè)疾病氣味的智能設(shè)備。