楊思敏 張薇

我們熟悉酒精味的清冽刺鼻，但構(gòu)成它的分子（C2H5OH）聞起來(lái)又是什么味道—或者它究竟有沒(méi)有氣味？如果不把鼻子湊到苯甲醛（C7H6O）上，你不會(huì)知道它聞起來(lái)像杏仁。僅僅在書(shū)本上看到二甲基硫醚的分子式（C2H6S），你也無(wú)法了解到它帶有大海的氣息。

但是現(xiàn)在，在一群志愿者和科學(xué)家的研究下，分子式的“味道”不再那么神秘莫測(cè)。

理論上，人類(lèi)可以分辨出一萬(wàn)億種氣味，然而從物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)辨別氣味卻不是一件容易的事。一種分子的氣味可能取決于它包含的碳原子數(shù)目、它的穩(wěn)定程度，以及它伸出的支鏈等。但是，這些結(jié)構(gòu)究竟是如何影響或者決定它們的氣味的？大量的實(shí)驗(yàn)表明，某些分子看似具有相同的化學(xué)組成，但帶給人的嗅覺(jué)體驗(yàn)卻相差甚遠(yuǎn)，往往一個(gè)原子數(shù)的改變就能帶來(lái)完全不同的氣味。

分子結(jié)構(gòu)和它們產(chǎn)生的氣味之間的關(guān)聯(lián)吸引了無(wú)數(shù)科學(xué)家。2015年，美國(guó)IBM研究中心的研究員帕布洛·邁耶（Pablo Meyer）以及洛克菲勒大學(xué)的教授萊斯利·伏肖爾（Leslie Vosshall）和研究員安德里亞斯·凱勒（Andreas Keller）共同發(fā)起了一個(gè)眾包項(xiàng)目—夢(mèng)想嗅覺(jué)預(yù)測(cè)挑戰(zhàn)（DREAM Olfaction Prediction Challenge），來(lái)自全世界的22支隊(duì)伍提出了各自的計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)算法，使機(jī)器能從大量氣味數(shù)據(jù)中做出有用的預(yù)測(cè)。最終，兩個(gè)來(lái)自亞利桑那州立大學(xué)和密歇根大學(xué)的算法取得優(yōu)勝。

接下來(lái)，在構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)的過(guò)程中，邁耶等人邀請(qǐng)了49名志愿者對(duì) 476個(gè)玻璃樣品瓶中的化合物的氣味進(jìn)行逐一分類(lèi)，如魚(yú)腥味、大蒜味或水果味等，共計(jì)19種描述項(xiàng)。此外，志愿者們還需要針對(duì)每種化合物氣味的濃淡以及給人的愉悅程度進(jìn)行分級(jí)。同時(shí)，研究者們還收集了每種樣品分子的結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)，包括原子類(lèi)型、官能團(tuán)種類(lèi)等，每個(gè)樣品分子的結(jié)構(gòu)特征都超過(guò)了4800 種。

綜合了參賽者給出的算法，最終的AI模型可以較為精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)一個(gè)分子的氣味強(qiáng)度和愉悅度，還能對(duì)之前提及的19種氣味描述項(xiàng)中的8種（“大蒜味”、“魚(yú)腥味”、“甜味”、“水果味”、“焦糊味”、“辣味”、“花香味”和“酸味”）進(jìn)行準(zhǔn)確的打分（由弱到強(qiáng)分別是0-1分）。他們把這個(gè)AI系統(tǒng)稱(chēng)作—超級(jí)鼻子。

邁耶表示，“超級(jí)鼻子”能夠根據(jù)不同分子結(jié)構(gòu)對(duì)其氣味進(jìn)行一系列分析，其預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際的嗅覺(jué)感受非常相似。團(tuán)隊(duì)成員很有信心：“我們幾乎可以預(yù)測(cè)任何分子的氣味指數(shù)，并以此推測(cè)出一種分子的聞起來(lái)的味道。”

人類(lèi)的嗅覺(jué)是有極限的，“超級(jí)鼻子”也更接近人類(lèi)直觀的嗅覺(jué)體驗(yàn)?！叭绻医o你一種化學(xué)物質(zhì)，讓你在周二聞一次，周三再聞一次，你兩次聞到的味道是不同的。‘超級(jí)鼻子和人類(lèi)的固有知覺(jué)已經(jīng)很接近了?！边~耶說(shuō)，“除此之外，不同的個(gè)體之間也有差異。同樣一種分子，你和我可能聞出不同的氣味，所以這種算法在預(yù)測(cè)分子的平均氣味時(shí)表現(xiàn)出色，而預(yù)測(cè)某種特定的氣味時(shí)就不那么準(zhǔn)確了?！?/p>

目前，還沒(méi)有一個(gè)完善的理論能在一種分子的性質(zhì)和它的氣味之間建立一一映射的絕對(duì)關(guān)系，這種算法只能隱約揭示某些特征和某些性質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)：硫原子使物體較易發(fā)出燒焦味或大蒜味，大分子較易發(fā)出好聞的氣味，香草醛一類(lèi)的分子聞起來(lái)較像烘焙食品等。但是，該項(xiàng)目已經(jīng)可以幫助某些香料香精公司省去大量精力和投入。無(wú)疑，機(jī)器學(xué)習(xí)有助于處理海量數(shù)據(jù)的多變性和復(fù)雜性，更為人們探索分子結(jié)構(gòu)與氣味之間的聯(lián)系提供了一個(gè)良好的開(kāi)端。