Представьте, что вы выбираете духи в интернет-магазине и можете оценить их аромат ещё до покупки. Или играете в виртуальной реальности, где запах свежесваренного кофе сопровождает утреннюю сцену, а аромат апельсинов дополняет прогулку по цифровому саду. Звучит как фантастика? Исследователи из Университета штата Огайо и китайской лаборатории Zhejiang Laboratory разработали систему Scentronic, которая позволяет распознавать запахи в одном месте и воспроизводить соответствующие ароматы в другом, передавая информацию через интернет.
Разработка объединяет электронный нос, искусственный интеллект и компактное устройство для распыления ароматических веществ. Пока технология работает лишь с пятью категориями запахов, однако уже демонстрирует, как интернет может выйти за пределы привычных нам изображений, звуков и текста.
Почему запахи сложнее передавать, чем звук и изображение?
Современные технологии давно научились оцифровывать зрительные образы и звуки. Камера преобразует свет в цифровые данные, а микрофон регистрирует колебания давления воздуха. Полученную информацию можно передать на любое расстояние и воспроизвести с помощью подходящего оборудования.
С запахами всё гораздо сложнее. Аромат — это не волна, которую достаточно записать и повторить, а смесь летучих химических соединений, распространяющихся в воздухе. Именно состав этих веществ и их концентрации определяют, что мы чувствуем: кофе, цитрусовые, вино или что-то совершенно иное.
Поэтому перед разработчиками стояли две задачи: научиться распознавать химический состав запаха по доступным сенсорным сигналам, а затем передавать полученную информацию в форме, позволяющей воспроизвести похожий аромат на другом конце соединения.
Система Scentronic решает эту проблему не путём передачи самих молекул, а посредством цифрового описания запаха и последующего распыления заранее подготовленных ароматических жидкостей.
Как работает Scentronic: от электронного носа до аромата
Технология состоит из двух основных устройств. Первое распознаёт запах в исходном месте, второе воспроизводит соответствующий аромат у получателя. Между ними работают алгоритмы машинного обучения и интернет-соединение.
Электронный нос Scentronic анализирует химические соединения в воздухе, чтобы определить категорию запаха.
1. Электронный нос распознаёт химический «отпечаток»
В основе системы лежит электронный нос — устройство с шестью газовыми сенсорами на основе оксида металла. Основным чувствительным материалом служит диоксид олова.
Принцип действия основан на изменении электрических свойств материала при контакте с определёнными веществами. В обычном воздухе молекулы кислорода взаимодействуют с поверхностью сенсоров и изменяют их электрическое сопротивление. Когда к ним поступают летучие органические соединения, часть этих взаимодействий меняется, вызывая характерную реакцию датчиков.
Например, этанол может быть связан с алкогольными напитками, лимонен — с цитрусовыми ароматами, а диацетил — с характерными маслянистыми и сливочными нотами.
Каждый сенсор реагирует на химические соединения по-своему. В результате шесть датчиков формируют совокупность электрических сигналов, которая служит своеобразным химическим отпечатком запаха.
Однако одного измерения недостаточно, чтобы надёжно определить аромат. Разные вещества могут вызывать похожие реакции, а сложные смеси ещё больше затрудняют распознавание. Поэтому следующий этап выполняет искусственный интеллект.
2. Искусственный интеллект определяет категорию запаха
Исследователи собрали 250 размеченных записей — по 50 для каждой из пяти категорий: пива, торта, кофе, апельсинов и красного вина. В каждой записи фиксировались изменения сигналов сенсоров на протяжении 200 секунд.
Затем учёные обучили и сравнили несколько моделей машинного обучения. Их задача заключалась в том, чтобы сопоставить характерные электрические сигналы с соответствующей категорией запаха.
После обучения система может распознать знакомый шаблон и определить, например, что перед ней кофе или апельсин. Результат передаётся через подключённый к интернету сервер на принимающее устройство.
Здесь важно понимать одну особенность: искусственный интеллект не определяет полный химический состав любого неизвестного аромата. Он классифицирует измерения в пределах тех категорий, на которых обучался.
3. Устройство воспроизводит аромат
На принимающей стороне находится собственно Scentronic — компактное устройство с несколькими резервуарами, содержащими заранее подготовленные ароматические жидкости. Каждому резервуару соответствует отдельный канал распыления.
Для превращения жидкости в мельчайшие капли используется пьезоэлектрический распылитель. Это небольшой элемент, который деформируется под действием электрического напряжения. При частоте колебаний около 110 000 раз в секунду он превращает жидкость в мелкодисперсный туман, разносящий аромат в воздухе.
Работой распылителей управляет микроконтроллер ESP32. Получив цифровую команду, устройство активирует канал с подходящей ароматической жидкостью. Интенсивность подачи регулируется частотой электрических импульсов.
Система может включать несколько каналов одновременно, смешивая разные ароматы в заданных пропорциях. Это открывает возможность создавать более сложные запахи из нескольких базовых компонентов.
Но есть существенное ограничение: Scentronic не синтезирует произвольный аромат с нуля. Необходимые ароматические жидкости должны быть загружены в устройство заранее. Искусственный интеллект определяет, какой запах следует воспроизвести, а оборудование формирует его приближённую копию из доступных компонентов.
Браслет, ожерелье и другие форматы устройства
Разработчики испытали несколько вариантов конструкции Scentronic. Среди них — лёгкий браслет с двумя каналами подачи аромата, ожерелье с пятью каналами, расположенными наподобие бусин, и ручное устройство с пятью ароматическими каналами.
Браслет можно поднести к носу, чтобы почувствовать запах, а ожерелье располагает источники аромата непосредственно возле лица. Подобные форматы особенно интересны для виртуальной и смешанной реальности, где дополнительные ощущения должны сопровождать происходящее на экране или в виртуальном пространстве.
Насколько точно технология распознаёт и воспроизводит запахи?
Результаты первых испытаний показывают, что система уже способна достаточно уверенно распознавать знакомые ароматы, хотя качество их воспроизведения пока оставляет желать лучшего.
Алгоритмы машинного обучения классифицировали пять категорий запахов с точностью от 96 до 100% — в зависимости от использованного метода.
Однако распознать запах и воспроизвести его так, чтобы человек правильно его определил, — две разные задачи.
В эксперименте с 14 добровольцами участники правильно определяли отдельные ароматы, созданные устройством, примерно в 73% случаев. Для комбинаций из двух запахов показатель составил около 71%. В отдельном тесте, где требовалось оценить интенсивность ароматов, точность оказалась значительно ниже — около 59%.
Эти результаты показывают, что цифровая классификация уже работает достаточно хорошо, но добиться точного соответствия между исходным запахом и его искусственной копией гораздо труднее.
Кроме того, исследование пока охватывает всего пять категорий, причём для обучения использовался только один продукт из каждой. Поэтому нельзя утверждать, что устройство одинаково хорошо распознаёт любые сорта кофе, вина или парфюмерные композиции.
Где пригодится передача запахов через интернет?
Несмотря на ограничения, технология открывает несколько интересных направлений применения.
Онлайн-магазины парфюмерии и продуктов
Одна из самых очевидных идей — возможность оценивать запахи перед покупкой через интернет. Пользователь мог бы открыть страницу товара, получить цифровую команду и почувствовать соответствующий аромат с помощью домашнего устройства.
Для парфюмерии это особенно актуально: описание нот и отзывы других покупателей не всегда позволяют понять, понравится ли человеку конкретный запах.
Впрочем, для реалистичной демонстрации духов потребовались бы гораздо более точное распознавание и воспроизведение сложных композиций, чем система предлагает сейчас. Кроме того, на принимающей стороне должны находиться подходящие ароматические вещества.
Более реалистичная виртуальная реальность
Виртуальная реальность — возможно, более практичное направление для развития Scentronic.
Представьте игру, в которой игрок исследует кофейню, проходит через цитрусовый сад или оказывается на винодельне. Дополнительные запахи могли бы усиливать ощущение присутствия и делать виртуальное окружение более убедительным.
Для этого не обязательно каждый раз анализировать реальный запах. Разработчики игры могут заранее подготовить набор ароматических эффектов, а устройство будет воспроизводить их в нужные моменты. Такой сценарий способен работать даже без электронного носа: достаточно цифровых команд от самой игры.
Сочетание запахов и вкуса
Исследователи пошли ещё дальше и создали экспериментальную чашку, объединяющую воспроизведение ароматов с добавлением вкусовых жидкостей.
В конструкции используются пять ароматических каналов и пять миниатюрных электромагнитных насосов, которые подают небольшие количества вкусовых добавок в воду.
Когда пользователь в гарнитуре смешанной реальности выбирает виртуальное пиво или кофе, система может воспроизвести соответствующий запах и добавить в чашку жидкость, формирующую вкусовую составляющую. Исследователи также продемонстрировали работу с пивом, кофе и их комбинацией.
Такой подход показывает, как цифровые интерфейсы могут объединять зрение, слух, обоняние и вкус. В перспективе это может пригодиться для создания более реалистичных симуляций еды и напитков.
Авторы исследования также предполагают, что подобные технологии могут оказаться полезными для людей с трудностями в питании, а также для астронавтов, которым бывает сложно воспринимать пищу в непривычных условиях. Однако практическую эффективность таких решений ещё предстоит проверить.
Что мешает технологии стать массовой?
Главная проблема Scentronic — ограниченный набор ароматов. Система распознаёт лишь пять категорий, а для воспроизведения каждого запаха необходим соответствующий подготовленный компонент.
Устройство не способно взять неизвестные духи, определить все входящие в их состав молекулы и затем в точности повторить оригинал. Оно скорее создаёт узнаваемую имитацию, используя имеющиеся ароматические жидкости.
Есть вопросы и к оценке качества. Испытания с небольшим числом добровольцев дают лишь предварительное представление о том, насколько естественно воспринимаются полученные запахи. Для дальнейшего развития нужны более масштабные эксперименты, стандартизированные методы оценки и дополнительные исследования восприятия сложных ароматических смесей.
В планах исследователей — повышение чувствительности сенсоров, расширение обучающих наборов данных, добавление новых ароматических каналов и совершенствование методов воспроизведения комбинаций запахов. Также учёные намерены провести более строгие испытания с участием людей.
Интернет, который можно будет почувствовать
Scentronic пока нельзя назвать универсальной системой передачи запахов. Она не умеет точно копировать любые ароматы и зависит от заранее подготовленных компонентов. Тем не менее разработка демонстрирует принципиально важный подход: запах можно измерить, преобразовать в цифровую категорию, передать по сети и приблизительно воспроизвести в другом месте.
Если дальнейшие исследования позволят расширить библиотеку ароматов и повысить точность их воспроизведения, подобные устройства могут найти применение в виртуальной реальности, онлайн-торговле и интерактивных мультимедийных системах.
Исследование опубликовано в научном журнале Science Advances. Пока же покупателям парфюмерии по-прежнему придётся полагаться на описания и отзывы — цифровой способ понюхать товар ещё только развивается.
