Verfügt KI über einen dem Menschen weit überlegenen Geruchssinn? Ist das eine Spielerei oder eine Tatsache? Die Wahrheit kommt ...

Tratsch

Der Geruchssinn ist einer der frühesten Sinne, die sich im menschlichen Körper ausbilden, und er stellt eine sehr komplexe Sinnesreaktion dar. Die Nase ist wie ein hochempfindlicher Detektor. Durch Millionen von Riechnerven sind wir in der Lage, eine Vielzahl von Geruchsmolekülen mit unterschiedlichen Struktureigenschaften wahrzunehmen und zu unterscheiden, sodass wir in komplexen Umgebungen schnelle Urteile fällen können.

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Wissenschaft und Technologie hat sich die Geruchserkennungstechnologie auf Basis künstlicher Intelligenz (KI), die die menschliche Geruchswahrnehmung nachahmt, rasant entwickelt. Die Technologie kombiniert fortschrittliche Algorithmen des maschinellen Lernens und der künstlichen Intelligenz, um durch Erkennen und Analysieren von Geruchsmolekülen verschiedene Substanzen zu identifizieren. Die Anwendungsbereiche der KI-basierten Geruchstechnologie reichen von der Umweltüberwachung bis zur medizinischen Diagnose, von der Lebensmittelsicherheit bis zur Kriminalermittlung, und ihr Potenzial ist unbegrenzt.

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Während die KI in vielen anspruchsvollen Bereichen die menschlichen Fähigkeiten übertroffen hat, gibt es auch Gerüchte, dass der Geruchssinn der KI den der menschlichen Nase weit übertroffen hat.

Also, wer hat den besseren Geruchssinn? Bevor wir die Antwort auf diese Frage finden, wollen wir zunächst verstehen, wie Menschen und KI Gerüche wahrnehmen.

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Wie nimmt das menschliche Gehirn Gerüche wahr?

Der Vorgang, bei dem das Gehirn Gerüche wahrnimmt, gleicht einer Begegnung.

Zunächst schleichen sich die Geruchsmoleküle ein und gelangen in die Nasenhöhle. Am oberen Ende der Nasenhöhle befindet sich ein spezieller Bereich, das sogenannte Riechepithel .

Hier befinden sich eine Vielzahl von Riechsinneszellen, die gezielt Geruchsmoleküle erkennen können. Diese Geruchsmoleküle wandern durch die Nasenhöhle und suchen nach ihren Partnern, unseren Geruchsrezeptoren .

Der Mensch verfügt über etwa 400 funktionsfähige Geruchsrezeptoren. Sobald diese Rezeptoren mit Geruchsmolekülen in Kontakt kommen, verursachen sie sofort Veränderungen in den elektrischen Signalen und führen einen „Elektroschocktanz“ auf, um Signale an das Gehirn zu übertragen.

Dieses Signal gelangt direkt über den Riechnerv zu einem bestimmten Bereich des Gehirns , dem sogenannten Riechkolben .

Rot ist der Riechkolben

Bildquelle: Referenz [1]

Im Bulbus olfactorius werden diese Signale weiter verarbeitet und analysiert. Die Informationen werden dann an die Gehirnbereiche gesendet, die mit Gedächtnis und Emotionen in Verbindung stehen, wie etwa den Hippocampus und die Amygdala.

Schließlich wandelt das Gehirn diese Signale in Geruchsempfindungen um, die wir erkennen und verstehen können, sodass wir den Geschmack, die Textur und andere Eigenschaften des Geruchs wahrnehmen können.

Letztendlich entstehen durch die Verarbeitung der Signale des Riechnervs semantische Darstellungen, die verschiedene Gerüche beschreiben, wie etwa den Geruch von Kaffee, Rose, Durian usw. Dieser Prozess ist so magisch und exquisit, dass er unser Leben mit Geschmack, Farbe und Spaß erfüllt.

Wie „riecht“ KI?

Wir verfügen nun über ein allgemeines Verständnis der Prinzipien und Prozesse, die der Geruchswahrnehmung des menschlichen Gehirns zugrunde liegen. Wie also riecht KI verschiedene Gerüche?

KI „riecht“ Gerüche wie ein „Ratespiel“, das auf der Molekülstruktur basiert.

Gerüche entstehen aus Molekülen mit spezifischen Strukturen. Diese Moleküle sind wie „Botenstoffe“, die Geruchssignale übermitteln. Der Schlüssel zur Vorhersage des Geruchs einer Substanz liegt daher in der Identifizierung der Zusammensetzung und Struktur der Moleküle.

Dabei greift die KI auf eine große und sorgfältig organisierte Datenbank zurück. Man kann sich diese Datenbank als ein erweitertes „Geruchsmolekül-Übersetzungswörterbuch“ vorstellen, das die Verbindungen zwischen bekannten Molekülstrukturen und den entsprechenden Gerüchen detailliert auflistet. Die Verbindung zwischen jedem Molekül und Geruch wird sorgfältig aufgezeichnet und dokumentiert.

Ein Artikel in der Zeitschrift Nature Machine Intelligence berichtet über eine

Neuronalgorithmus zur Simulation des biologischen Geruchssinns

Bildquelle: Nature Machine Intelligence Magazin

Wenn die KI vor der Aufgabe steht, den Geruch eines neuen Moleküls vorherzusagen, durchsucht sie schnell dieses professionelle „Wörterbuch“, um bekannte Moleküle mit ähnlichen Strukturen wie das neue Molekül zu finden und daraus mögliche Geruchseigenschaften abzuleiten. Der Vorgang ist nicht nur schnell, sondern auch äußerst präzise.

Neben der grundlegenden strukturellen Übereinstimmung berücksichtigt die KI auch andere chemische Eigenschaften wie die Elektronegativität und Stereokonfiguration des Moleküls, um die Geruchseigenschaften neuer Moleküle umfassender vorherzusagen.

Der Gesamtprozess ähnelt einer KI, die verschiedene Hinweise sammelt und analysiert, um auf den Geruch zu schließen, den ein neues Molekül möglicherweise erzeugt.

Im August 2023 wurde im Magazin Science ein Graph Neural Network (GNN)-Modell zur KI-Geruchsanalyse veröffentlicht.

Der Prozess der Geruchserkennung durch KI

Bildquelle: Referenz [4]

Nachdem die Molekülstruktur in das Modell eingegeben wurde, optimiert GNN die Gewichte verschiedener chemischer Strukturen in einem bestimmten Geruch, beurteilt schließlich den Geruch des Moleküls über die Vorhersageschicht und gibt den entsprechenden Geruchsdeskriptor aus.

Die Forscher führten Geruchstests am GNN-Modell und an einer menschlichen Gruppe durch. Die Ergebnisse zeigten, dass die KI bei 53 % der chemischen Moleküle und bei 55 % der Geruchsbeschreibungsgenauigkeit die menschlichen Experten übertraf.

Mensch vs. KI: Wer ist der Geruchsexperte?

Wir können uns ein Team von Fachleuten vorstellen, die „Geruchsexperten“ sind.

Im Gegensatz zur KI, die auf Unmengen von Daten und Algorithmen angewiesen ist, verlassen sich diese Experten bei der Analyse und Beschreibung von Gerüchen in erster Linie auf ihren Geruchssinn und ihre jahrelange Erfahrung. Sie besitzen die Fähigkeit, subtile Unterschiede in einer Vielzahl komplexer Gerüche zu erkennen und sie in präziser Sprache zu beschreiben.

Sie können beispielsweise verschiedene Geruchsarten wie blumig, fruchtig, grasig, ledrig etc. klar unterscheiden und ausführlich erklären.

Darüber hinaus sind diese Geruchsexperten in der Lage, Gerüche anhand ihrer Quelle und Umweltfaktoren zu analysieren und zu interpretieren. Sie können beispielsweise die beim Kochen entstehenden Gerüche, die Gerüche von Pflanzen, die einzigartigen Gerüche von Tieren usw. unterscheiden und anhand der Eigenschaften und Veränderungen dieser Gerüche die Ursachen und Auswirkungen ihrer Entstehung systematisch analysieren.

Im Gegensatz zu den Vorhersagen datenbasierter KI können die Beschreibungen und Urteile dieser Geruchsexperten subjektiven Faktoren unterliegen.

Ihre Schlussfolgerungen können von Person zu Person unterschiedlich sein und sogar von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst werden. Daher kann ihre Beschreibung des Geruchs in manchen Fällen von der Einschätzung der KI abweichen.

Natürlich ist das nur eine Einbildung und bedeutet nicht, dass echte Geruchsexperten keine Profis sind. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt hat die olfaktorische Fähigkeit der KI noch nicht das Niveau erreicht, das dem Menschen überlegen ist, und der Mensch verfügt über unersetzliche Vorteile bei der subjektiven Erfahrung und dem Verständnis der Geruchswahrnehmung.

Angesichts eines komplexen Geruchsspektrums muss sich die KI zunächst auf riesige Datenmengen und fortschrittliche Algorithmen zum Lernen und Simulieren verlassen, um präzisere Urteile abgeben zu können.

Allerdings weist das menschliche Geruchssystem eine höhere Flexibilität auf, die für aktuelle KI-Systeme nur schwer zu erreichen ist.

Vorhersageergebnisse verschiedener KI-Modelle

Korrelation mit dem Mittelwert der menschlichen Gruppe

Bildquelle: Referenz [4]

Der menschliche Geruchssinn wird auch von vielen anderen Faktoren beeinflusst, wie Emotionen, Gesundheitszustand, Lebenserfahrung usw. Diese Faktoren können unsere Wahrnehmung und Beurteilung von Gerüchen beeinflussen.

Diese Variablen verleihen dem menschlichen Geruchssinn eine Komplexitätsebene, die der KI fehlt, und erschweren so das vollständige Verständnis und die Simulation des menschlichen Geruchssystems.

abschließend

Obwohl die KI in der Geruchstechnologie ein beeindruckendes Potenzial gezeigt und in einigen Bereichen erhebliche Fortschritte erzielt hat, hat sie den Menschen noch nicht in allen Aspekten übertroffen. Jedes hat unterschiedliche Vorteile und Einschränkungen. Angesichts des fortschreitenden technologischen Fortschritts können wir davon ausgehen, dass der KI weitere Durchbrüche im Bereich der Geruchserkennung gelingen werden.

Allerdings gibt es auf diesem Gebiet noch viele Herausforderungen, wie etwa die genaue Identifizierung, Stabilität und Wiederholbarkeit von Geruchsmolekülen, die alle weiterer Forschung und Verbesserung bedürfen. Darüber hinaus sind die Akzeptanz und das Vertrauen der Öffentlichkeit in diese neue Technologie ebenfalls Schlüsselfaktoren für ihre erfolgreiche Anwendung.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die KI-Geruchstechnologie breite Entwicklungsperspektiven und unbegrenzte Möglichkeiten bietet, ihre konkrete Entwicklungsrichtung und Ergebnisse jedoch noch Zeit und Übung benötigen, um verifiziert zu werden. Wir freuen uns darauf, dass Forscher und Ingenieure diese Herausforderungen lösen und der Gesellschaft mehr Komfort und Sicherheit bringen.

Quellen:

[1]Edmund Chong, Monica Moroni, Christopher Wilson, et al. Die Manipulation synthetischer optogenetischer Gerüche enthüllt die Kodierungslogik der Geruchswahrnehmung Science 2020, 368, 6497.

[2]Lulu Guo, Jie Cheng, Shuo Lian et al. Strukturelle Grundlagen der Wahrnehmung von Amin-Geruchsstoffen durch einen Geruchsrezeptor bei Säugetieren. Nature 2023, 618, 193.

[3]Jia Duan, Peiyu Xu, Xiaodong Luan et al. Hormon- und Antikörper-vermittelte Aktivierung des Thyreotropin-Rezeptors. Nature 2022, 609, 854.

[4]Brian K. Lee, Emily J. Mayhew, Benjamin Sanchez-Lengeling, et al. Eine zentrale Geruchskarte vereint verschiedene Aufgaben der Geruchswahrnehmung. Science 2023, 381, 999.

Produziert von Science Popularization China

Autor: Denovo-Team

Produzent: China Science Expo

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