⑴ 用什么仪器才能看到鼻腔里的嗅觉神经
嗅觉是诸多生物体共有的一种感官,在生物体分析世界并做出相应反应方面起着至关重要的作用。机器嗅觉系统通常由交叉敏感的化学传感器阵列和适当的计算机模式识别算法组成。但目前深度学习算法的芯片都遵循冯·诺依曼架构,在它们上面运行的算法需要大量的训练数据。新的神经形态计算尽可能多地保留大脑的结构,以提高芯片的学习效率,使得芯片可以从较少的样本中就完成训练。
机器嗅觉潜在较大的商业价值。在化工中,化学成分定性、定量分析过程主要使用化学方法与仪器分析方法。随着化学这门学科及其分支的发展,大量新的化学物质的发现和被合成,传统的化学分析方法已经不适合物质识别和分析,而仪器分析操作繁琐,经常被对象进行预处理,导致测试周期加长,而且还存在着不能连续检测等缺点。机器嗅觉可以更快捷、更方便的方式识别化学成分。在香精香料、化妆品生产中,香气是评价其内在质量的主要指标之一,而专家评定方法往往受到人的主客观因素的影响难以做到科学与客观,同时,人的感官易疲劳、适应和习惯。而机器嗅觉可以更廉价更可持续生产的新气味分子。在人们生活的环境中,总是会存在一些有害的气体,例如苯、甲醛等。这些气体的存在对人体的健康有着一定的影响甚至会发生爆炸,所以就需要机器嗅觉有效地监测这些气体的浓度,从而把它们控制在适度的范围之内。
在我们的大脑所能做的所有事情中,产生嗅觉的机制是最容易理解的。当一种气味接触到我们鼻子里的嗅觉细胞时,它们会向大脑中相应的神经元簇(称为嗅球)发送信号。然后嗅球把信号传送到大脑的其他部分,以此帮助我们欣赏葡萄柚的芬芳或躲避垃圾的臭味。
嗅球是哺乳动物特有的,但其他动物如昆虫,也表现出类似的神经结构。英特尔的神经形态计算实验室主任迈克•戴维斯表示,这意味着“如果在不同的情况下,这些动物都能进化到实现类似嗅觉的功能,那么它们可能具有相对来说更加基础而且有效的机制。”
因为嗅觉系统非常高效,而且我们对它们的了解也非常透彻,所以嗅觉系统是神经形态芯片的重要起点。所谓神经形态芯片,指的是一种新型的计算硬件,是直接从大脑结构中获取灵感从而设计出来。
周一,英特尔(Intel)的科学家在《自然》(Nature)杂志上发表了一篇论文,提出了一种新的神经形态芯片设计,它模仿了嗅球的结构和功能。
研究人员与嗅觉神经生理学家合作,研究动物闻气味时的大脑活动。当大脑处理气味时,神经回路就会被激活,这种电路可以被刻在硅片上,基于此他们设计了一种基于神经回路的电路。他们还设计了一种算法来反映通过神经回路的电信号的行为。
他们从72个不同的化学传感器中测量出“气味”的数据集。当他们使用现有的10个“气味”数据集在芯片上训练算法时,它能够在比传统芯片少得多的训练样本的情况下准确地分辨出这些气味。
该芯片仍处于相对早期的原型阶段,但一旦成熟,它可以应用于许多领域,如炸弹嗅探或化工厂有毒烟雾的检测。它也证明了神经形态计算拥有成为数据效率更高的人工智能的潜力。
目前最流行的运行最先进的深度学习算法的芯片都遵循冯·诺依曼架构——一种几十年来推动了计算革命的传统架构设计。
但这些传统架构是低效的学习者,在它们上面运行的算法需要大量的训练数据。相反,我们的大脑要高效得多,只需要少量的训练数据即可。
因此,神经形态芯片试图尽可能多地保留大脑的结构。这样做的目的是为了提高芯片的学习效率。在实际实验中,这种芯片成功地依靠少量的数据就完成了训练。
接下来,研究小组计划改进其神经形态芯片的设计,并将其应用于除了大脑嗅觉之外的其他功能。戴维斯表示,该团队下一步可能会将注意力转向视觉或触觉,但他们有更长远的目标,即解决更复杂的过程。
他说:“我们的嗅觉感应机制是很自然的起点,因为这些人类对嗅觉机制的了解比较清晰。但从某种意义上说,我们正在以自己的方式进入大脑,进入更高阶的思维过程。”
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