颠覆嗅觉：气味数字化

　　谷歌研究院（Google Research）的衍生企业Osmo希望开发一门技术，为难以提取的香味找到替代品。该项技术会为新香水的研发带来灵感，同时助力对抗通过蚊子传播的疾病。

　　艾利克斯·威尔奇科（Alex Wiltschko）打开一个黑色塑料手提箱，取出了大约60个装满不同香气的玻璃瓶。有一瓶闻起来带有淀粉味，还伴着柔和的花香，如同烹煮中的茉莉香米。另一瓶则让人想到湿润的海风和西瓜的白瓤。还有一瓶散发着藏红花的香味，中间还微嵌着淡淡的皮革和红茶的香气。再有一瓶则是无花果叶、黄杨木和罗勒的浓烈香气。最令人意外的一瓶是泰国辣椒的醇厚香气，却并没有辣椒所特有的鼻腔灼伤感。

　　飘入我鼻中的这些气息，与我曾经闻到过的任何气味都迥然不同。实际上，能够闻到这些气味的人，全世界也只有寥寥几人。然而，在任何人有机会闻到这些气味之前，一个计算机模型就已经预测出了我们将如何感知这些气味。

　　威尔奇科从青少年时代起就迷恋上了气味。过去几年，他在谷歌研究院开发软件，旨在仅通过分子结构就能预测其气味。他邀请我闻的这些玻璃瓶中的香气，正是他的新创公司Osmo的基础。Osmo位于马萨诸塞州剑桥市，是一家谷歌研究院的衍生公司（spinout）。Osmo在由Lux Capital和谷歌风投（Google Ventures）领投的首轮融资中筹得6000万美元，公司的目标是为香水、洗发水、乳液、蜡烛和其他日用品创造新一代的香气分子。

　　价值300亿美元的全球香水业依赖于其原材料，而这些原材料的获取不是越来越困难就是饱受争议。受气候变化引发的极端天气影响，香水行业中常用的花卉供应正在逐渐减少。檀香树等物种则因过度采伐而濒临灭绝。其他如藏红花或香根草这样的成分，也因地缘政治动荡而可能遭受供应链中断的风险。一些品牌仍然使用从动物体内提取的麝香等香味，这引发了道德问题，因为获取这些香味意味着必须捕捉和杀死动物。与此同时，一些合成替代品，例如有铃兰花香的铃兰醛，出于安全原因正面临监管禁令。

　　香水公司的化学家们已经找到了模拟一些天然香气的方法，但这依旧大部分依赖于人工操作，且许多香气并没有合成的替代品。Osmo的联合创始人兼首席执行官威尔奇科表示：“我们需要做出替代品。否则，我们将不得不继续从我们的生态系统中获取这些动植物。”他在谷歌研究院曾领导数字嗅觉团队。“实现安全、可持续和可再生的香气原料生产，而不需要以收割生命为代价，这个目标里蕴含着巨大的机会。”

　　在短期内，该公司希望为香料和香水行业设计出高效、无过敏原、且可生物降解的分子。Lux Capital的管理合伙人和Osmo的联合创始人乔希·沃尔夫（Josh Wolfe）说：“我们将Osmo视为一种理性设计的商业模式，人们想要一种非常具体的香气，我们设计相应的化学物质，就像生物技术或制药公司研发药物然后授权一样。”长远来看，该公司希望赋予计算机“嗅觉”，也就是将气味“数字化”，尽管这一概念目前还不成熟，并面临着一些技术上的挑战。

　　位于费城的莫奈尔化学感觉中心（Monell Chemical Senses Center）的嗅觉神经科学家乔尔·梅兰德（Joel Mainland）表示：“我们对嗅觉系统的理解并不如其他感官，但这是因为它很可能更复杂。”梅兰德曾与威尔奇科在谷歌研究院的嗅觉团队合作，但并没有参与Osmo的工作。

　　烤面包、雨后草地、香烟烟雾或是你祖母的香水，当这些气味分子漂浮在空气中，进入你的鼻子，并与气味受体结合，通过嗅觉神经向大脑传递信息时，你的嗅觉就开始发挥作用了。人类的鼻子有大约400种受体，或说是特殊的感应蛋白。相比之下，眼睛使用三种类型的受体进行视觉感知，而我们的味觉则始自大约40种受体。

　　这种复杂性使得对气味的分类比对其他感知体验的分类更困难。颜色可以用一个被称为色轮的渐变工具来表示，而声音可以用其波的频率来表示。然而对于气味来说，没有类似的工具存在。“现在，我们需要找到一种方法来理解气味之间的相互关联，”梅兰德说，“我们目前还没有一个好的方法来组织和分类气味。”

　　因此，威尔奇科的谷歌团队致力于建立他们所谓的“气味地图”——一种能将气味相似的分子归类在一起的方式。但他们没有依靠人类的鼻子来进行这些区分，而是使用了人工智能。

　　他们首先向机器学习软件输入了一个包含5000个从香料目录中获得的气味分子的数据集，这些气味都是常见而且描述详尽的。例如，这气味是果香、奶油香还是木质香？通过这个训练集，软件开始注意到每个气味分子的化学结构与人类对其描述之间的关联，从而构建出一个基于这些特征对分子进行归类的高维气味地图。威尔奇科说：“这看似是一个简单的问题，但其实分子结构的微小变化就可以使它从闻起来像玫瑰花到臭鸡蛋”。比如，分子中的化学键或碳原子的数量就可以影响其气味。

　　然后，他们给了软件一个更神秘的数据集来解析：400个由科学家设计但从未生产的分子，因此它们的气味尚未被描述。他们要求该模型根据这些分子的结构预测人类可能感知到的气味。

　　为了检验这些预测的效果，梅兰德和他在莫奈尔的同事们邀请了15名志愿者组成小组，让他们闻每种气味，并给它们贴上标签：花香、薄荷香、烟熏味等等。实验过程中，评审小组成员们并不总是对每个气味的评价一致，这也反映出嗅觉可能比许多其他感官更加主观。然而，对于53%的气味，模型的预测更接近小组的平均评价，而不是任意一个志愿者的主观判断。

　　威尔奇科表示，他们认为这是一个成功的尝试，尽管该系统仍有一些缺陷。例如，两个分子可以是彼此的镜像，但气味却可能不同。他说：“这些气味并不总是完全不同，有时是微妙的不同，而我们的神经网络对此完全视而不见。”

　　该团队于九月将其研究成果发布到预印本服务器bioRxiv上，目前该论文正在接受一家科学期刊的同行评审。

　　罗切斯特大学医学院的嗅觉神经科学家克里希南·帕德马纳汉（Krishnan Padmanabhan）说：“对于嗅觉科学，我们想做的一件事是了解人类是如何感知气味的。”尽管他没有参与Osmo的研究，但他表示，该团队的“气味地图”为理解人类对气味的感知提供了一种可能途径。“他们的成果真的很令人印象深刻。”

　　威尔奇科让我闻的玻璃瓶中含有那些莫奈尔的志愿者们闻过的相同气味。他说，Osmo正在与几家香水公司积极谈判，以授权其中一些香气的生产。

　　法国顶级调香大师克里斯托夫·劳达米尔（Christophe Laudamiel）认为，部分新的香味比其他香味更具有商业价值。例如，他说，目前很少有闻起来像海洋的分子，因此，研发新的海洋香味封面将极具吸引力。他不确定香水行业将如何使用辣椒味，但辣椒可以被用作食品调味。根据总部设在纽约的国际香精香料公司（International Flavors & Fragrances，该公司是炮制新气味的主要公司之一）的说法，全球只有大约600名调香师。劳达米尔目前担任Osmo企业顾问，并在我闻不同的气味时通过Zoom对我进行远程指导。

　　“这个行业规模很小，只有几家公司着手寻找新分子，”他说，“找到具有新气味的新分子是非常具有偶然性的事情。”

　　而且失败率很高。这些分子不仅要好闻，还必须安全且可生物降解。公司可能每年要测试一千种分子，只是为了能向市场推出几个能满足所有这些条件的分子。当威尔奇科把Osmo创造的分子发给劳达米尔时，劳达米尔说：“你应该意识到你已经创造了一个新的香水成分宇宙。”

　　根据世界卫生组织的数据，疟疾和登革热等蚊子传播的疾病每年造成超过70万人死亡。雌性蚊子以人血为食，并被皮肤的气味所吸引。大多数化学驱蚊剂，包括被认为是黄金标准的DEET，通过混淆蚊子的嗅觉信号来发挥作用，防止它们找到下一个目标。

　　但DEET也有一些缺点。它必须在高浓度下使用，它可以使塑料降解，并可能导致皮肤刺激。约翰霍普金斯大学研究蚊子嗅觉系统的神经科学家克里斯·波特（Chris Potter）认为，蚊子也有可能对DEET产生抗药性，就像它们对其他化学品一样。波特并没有参与Osmo的研究，但他说：“我觉得我们需要去寻找其他种类的驱虫剂。有个备选方案总是必要的。”

　　2020年，美国环境保护署批准了11年来的第一个新的驱蚊剂——一种叫做诺卡酮（Nootkatone）的天然化学物质，它赋予葡萄柚其特有的香气。但是，威尔奇科和他在谷歌的团队认为，他们可以利用机器学习系统来寻找新的驱蚊剂。

　　首先，威尔奇科的团队需要一个庞大的气味分子数据集，以便训练他们的模型来识别化合物的结构与其作为驱蚊剂的有效性之间的关联。但是他们只能在最近的科学文献中找到几十种驱蚊剂的描述。于是威尔奇科追踪到了一份来自1940年代的美国政府报告，当时科学家们测试了大约19000种化合物的有效性。这项工作根据这些化合物的效果进行排名，并发现了DEET。威尔奇科和他的团队将该数据集数字化，然后在其上训练他们的算法。

　　正如他们在香味实验中所做的那样，他们向模型提供了400个未经测试的新型分子。在这种情况下，他们要求该模型仅根据每个分子的化学结构来预测哪些分子可能有驱蚊效力。他们从中选择了317个进行标准的实验室测试。结果显示，其中超过10种分子具有类似或高于DEET和目前使用的其他化学品的驱蚊效力。

　　该团队在bioRxiv网站发布了他们的研究预印本，但该论文还没有经过同行评审。接下来Osmo计划测试这些分子的皮肤安全性和生物降解性。

　　波特对该团队的方法印象深刻。他说：“这个方法运用了这些我们尘封已久了的数据。现在我们有了这个很好的待研究清单。这些化学物质值得我们更仔细地去研究。”

　　威尔奇科和沃尔夫认为，定制的气味分子和新的驱虫剂只是一个开始——他们的目标是让计算机具有嗅觉。他们认为人工智能可以通过预测气味的味道及其与其他气味的关系，使我们更接近于数字嗅觉。沃尔夫把这个长期愿景形容为“嗅觉的Shazam”（一款歌曲识别软件）。就像你可以用一个应用程序来识别广播中播放的歌曲一样，他认为，你也应该能用你的手机来捕捉、保存和传输气味。

　　但这是一个困难的问题。尽管手机可以传输声音，它并不能传输化学物质。这样的设备必须收集气味分子，将其转换成数字签名，然后将信号传递给其他人的手机或电脑进行解码。然后，他们需要某种化学释放装置，将该信号转换为可吸入的气味。

　　Osmo还没有给出关于它将如何实现气味数字化的具体细节，尽管威尔奇科已经概述了基本想法。“你需要三个部分：一个传感器，一张地图和一台打印机。传感器感知物理世界并将原子转换为比特。地图帮助你解释、存储、压缩和传输这些比特。这就像是色彩中的RGB和JPEG等技术。最后，你需要（打印机）将比特转换回原子。”威尔奇科说，“我们认为现在是时候开始把这些组合起来了。”

　　该公司还没有建立任何能够将气味捕捉并转化为数字信号的传感器，或者“打印”气味的设备，但威尔奇科说，他们正在与外部研究人员合作来实现这一目标。威尔奇科称这个问题“难得离谱”，并说这将需要多年的时间。

　　事实上，人类几十年来一直在尝试。例如，DigiScents iSmell，一种于1999年推出的用于台式电脑的USB连接盒。它被设计为可以对在线收集的气味数据进行编码，然后“播放”出来。WIRED杂志曾声称，它将“引发下一次网络革命”。但由于缺乏资金，该公司于2001年倒闭。

　　2014年，Vapor Communications推出了oPhone，一款连接到iPhone或iPad的设备，它允许用户以信息的方式发送气味。2016年，该公司还推出了一款名为Cyrano的“气味扬声器”，允许用户“播放”一系列气味，就像气味的播放列表一样。然而，这两款产品都已不在市场上销售。

　　最近，科技初创公司Feelreal试图将香味融入虚拟现实头盔中，但由于美国食品与药物管理局将其归类为电子烟产品，陷入了监管方面的困难。这款头盔至今尚未面世。

　　那么，为什么要将气味数字化呢？对于威尔奇科和沃尔夫来说，这是因为气味具有触发记忆的特殊能力。沃尔夫说：“迄今为止，我们尚未能够捕捉到这个可能是在进化过程中最重要的感觉，那就是我们的嗅觉。我们的嗅觉进化到能够抵御危险，识别所爱之人，闻出腐烂食物，以及感受世界美好。这些感觉都是很难与人分享的，除非想分享的对象也在场。”

　　目前，他们将尝试通过重现已有的香味和发掘新的香味来撼动香水行业。当威尔奇科把香氛瓶放回手提箱时，我在考虑我是否想喷上我试闻过的Osmo香氛。其中一款带有玫瑰、风信子和新鲜绿叶的香气。我平时用的香水，是一个法国品牌生产的玫瑰香，价格一直在稳步上升，而且香味也在这些年里发生了变化。有一次，我在商店里问为什么会这样：原来问题出在了玫瑰供应链上。

　　Andrew：翻译这篇文章的时候，我想到了一个很经典的商业案例——香奈儿5号。香奈儿在设计这款香水的时候曾说过的一句话，时至今日仍被津津乐道：“我希望它闻起来像女人，而不是玫瑰”，这种设计理念使得香奈儿5号的调性里多了一抹人工合成的色彩，也成就了它后来一个世纪的辉煌。也许“成分天然”并不是一款香水成功的必要条件，反而是对香水设计的一种束缚。机器学习辅助进行香气分析与生成也许会赋予香水设计更多素材与灵感，调香师的设计理念也会因此得到更恰当的表达，我很期待AI技术在不久的将来给香水行业带来的变革。