تعتبر حاسة الشم من أقدم الحواس التي تشكلت في جسم الإنسان، وهي عبارة عن استجابة حسية معقدة للغاية. الأنف يشبه كاشف حساس للغاية. من خلال الملايين من الأعصاب الشمية، نحن قادرون على إدراك وتمييز جزيئات الرائحة المختلفة ذات الخصائص الهيكلية المختلفة، حتى نتمكن من إصدار أحكام سريعة في البيئات المعقدة.
مصدر الصورة: بيكسل
مع التطور المستمر للعلوم والتكنولوجيا، تطورت بسرعة تقنية الذكاء الاصطناعي للتعرف على حاسة الشم التي تحاكي الإدراك الشمي البشري. تجمع هذه التقنية بين الخوارزميات المتقدمة للتعلم الآلي والذكاء الاصطناعي لتحديد المواد المختلفة من خلال اكتشاف وتحليل جزيئات الرائحة. تتراوح مجالات تطبيق تقنية الذكاء الاصطناعي لحاسة الشم من المراقبة البيئية إلى التشخيص الطبي، ومن سلامة الأغذية إلى التحقيق الجنائي، وإمكاناتها غير محدودة.
عندما يتجاوز الذكاء الاصطناعي في العديد من المجالات الدقيقة القدرات البشرية، لا يسعنا إلا أن نتساءل: في "ساحة" إدراك الرائحة،الذكاء الاصطناعي أم الأنف البشري، أيهما أفضل في إدراك الروائح؟؟ قبل الكشف عن إجابة هذا السؤال، دعونا أولاً نفهم كيف يدرك البشر والذكاء الاصطناعي الروائح.
كيف يدرك الدماغ البشري الرائحة؟
إن العملية التي يدرك بها الدماغ الرائحة تشبه "اللقاء".
أولاً، تصل جزيئات الرائحة بهدوء وتدخل التجويف الأنفي. هناك منطقة خاصة فوق تجويف الأنف تسمى الظهارة الشمية.
يوجد هنا عدد كبير من خلايا المستقبلات الشمية التي يمكنها التعرف على جزيئات الرائحة على وجه التحديد. تنتقل جزيئات الرائحة هذه حول تجويف الأنف بحثًا عن شركائها، أي مستقبلاتنا الشمية.
لدى البشر ما يقرب من 400 مستقبلات شمية وظيفية. بمجرد أن تتلامس هذه المستقبلات مع جزيئات الرائحة، فإنها ستسبب على الفور تغيرات في الإشارات الكهربائية وتؤدي "رقصة الصدمة الكهربائية" لنقل الإشارات إلى الدماغ.
تنتقل هذه الإشارة عبر العصب الشمي إلى منطقة معينة من الدماغ تسمى البصلة الشمية.
اللون الأحمر هو البصلة الشمية، مصدر الصورة: مرجع [1]
وفي البصلة الشمية، تتم معالجة هذه الإشارات وتحليلها بشكل أكبر. يتم بعد ذلك إرسال المعلومات إلى مناطق الدماغ المرتبطة بالذاكرة والعاطفة، مثل الحصين واللوزة الدماغية. ويحول الدماغ هذه الإشارات إلى أحاسيس شم يمكننا التعرف عليها وفهمها، مما يسمح لنا بتجربة الطعم والملمس والخصائص الأخرى للرائحة.
وأخيرًا، تشكل معالجة إشارات العصب الشمي تمثيلات دلالية تصف الروائح المختلفة، مثل القهوة والورد والدوريان وما إلى ذلك. هذه العملية سحرية ورائعة للغاية، وتملأ حياتنا بالألوان والمرح.
كيف "يشم" الذكاء الاصطناعي الروائح؟
لدينا الآن فهم عام لمبادئ وعمليات كيفية إدراك الدماغ البشري للروائح، فكيف يشم الذكاء الاصطناعي الروائح المختلفة؟
الذكاء الاصطناعي "يشم" الروائح مثل "لعبة التخمين" بناءً على التركيب الجزيئي.
تأتي الرائحة من جزيئات ذات هياكل محددة، تشبه "الرسل" التي تحمل إشارات الرائحة. لذلك،للتنبؤ برائحة مادة ما، فإن المفتاح هو تحديد تكوين وبنية الجزيئات.
يعتمد الذكاء الاصطناعي في هذه العملية على قاعدة بيانات كبيرة ومنظمة بعناية. يمكن اعتبار قاعدة البيانات هذه بمثابة "قاموس ترجمة جزيئات الرائحة" المتقدم مع قائمة شاملة من الروابط بين الهياكل الجزيئية المعروفة والروائح المقابلة لها. ويتم تسجيل وأرشفة ارتباط كل جزيء بالرائحة بدقة.
تم الإبلاغ عن خوارزمية عصبية تستخدم لمحاكاة الرائحة البيولوجية في ورقة بحثية في مجلة Nature Machine Intelligence
عند مواجهة مهمة التنبؤ برائحة جزيء جديد، سيبحث الذكاء الاصطناعي بسرعة في هذا "القاموس" الاحترافي للعثور على جزيئات معروفة ذات هياكل مشابهة للجزيء الجديد، واستنتاج سمات الرائحة المحتملة منها. هذه العملية ليست سريعة فحسب، بل إنها دقيقة للغاية أيضًا.
بالإضافة إلى المطابقة الهيكلية الأساسية، سينظر الذكاء الاصطناعي أيضًا بشكل شامل في الخصائص الكيميائية الأخرى، مثل السالبية الكهربية والتكوين المجسم للجزيئات، للتنبؤ بشكل أكثر شمولاً بخصائص الرائحة للجزيئات الجديدة.
تشبه العملية برمتها جمع الذكاء الاصطناعي وتحليل القرائن المختلفة لاستنتاج الرائحة المحتملة لجزيء جديد.
في أغسطس 2023، تم نشر نموذج الشبكة العصبية الرسومية (GNN) لتحليل الروائح بالذكاء الاصطناعي في مجلة Science.
عملية التعرف على الرائحة بالذكاء الاصطناعي، مصدر الصورة: مرجع [4]
بعد إدخال البنية الجزيئية في النموذج، ستقوم GNN بتحسين وزن الهياكل الكيميائية المختلفة في روائح محددة، وأخيرًا الحكم على رائحة الجزيئات من خلال طبقة التنبؤ وإخراج واصفات الرائحة المقابلة.
أجرى الباحثون اختبارات الرائحة على نموذج GNN وعلى مجموعة من البشر. وتظهر النتائج،تفوق الذكاء الاصطناعي على الخبراء البشريين في 53% من الجزيئات الكيميائية و55% من أوصاف الروائح.
البشر مقابل الذكاء الاصطناعي: من هو خبير الروائح؟
يمكننا أن نتخيل فريقًا من المحترفين "خبراء الشم".
وعلى عكس الذكاء الاصطناعي، الذي يعتمد على كميات كبيرة من البيانات والخوارزميات، يعتمد هؤلاء الخبراء في المقام الأول على حاسة الشم لديهم وسنوات من الخبرة المتراكمة لتحليل الروائح ووصفها. لديهم القدرة على التعرف على الفروق الدقيقة لمجموعة متنوعة من الروائح المعقدة ووصفها بلغة دقيقة.
على سبيل المثال، يمكنهم التمييز بوضوح بين أنواع مختلفة من الروائح مثل الأزهار، والفواكه، والعشبية، والجلدية وغيرها، وشرحها بعمق.
بالإضافة إلى ذلك، يستطيع خبراء الروائح تحليل وتفسير الروائح بالتزامن مع أصلها والعوامل البيئية. على سبيل المثال، يمكنهم التعرف على الروائح التي تنتج عن عملية الطهي، وروائح النباتات، والروائح الفريدة للحيوانات، وما إلى ذلك، وتحليل أسباب وتأثيرات هذه الروائح بشكل منهجي بناءً على خصائصها وتغيراتها.
على عكس التوقعات من الذكاء الاصطناعي المبني على البيانات،قد تتأثر أوصاف وأحكام خبراء الرائحة بعوامل ذاتية.
قد تختلف استنتاجاتهم من شخص لآخر وقد تتأثر بمجموعة متنوعة من العوامل. لذلك، في بعض الحالات، قد يختلف وصفهم للرائحة عن حكم الذكاء الاصطناعي.
وبطبيعة الحال، هذا مجرد خيال ولا يعني أن خبراء العطور الحقيقيين ليسوا محترفين. في المرحلة الحالية، لم تصل قدرة الذكاء الاصطناعي على حاسة الشم بعد إلى مستوى التغلب على البشر، ويتمتع البشر بمزايا لا يمكن تعويضها في الخبرة الذاتية وفهم الروائح.
أولاً، في مواجهة طيف الروائح المعقد، يحتاج الذكاء الاصطناعي إلى الاعتماد على بيانات ضخمة وخوارزميات متقدمة للتعلم والمحاكاة من أجل إصدار أحكام أكثر دقة.
ومع ذلك، يمكن للنظام الشمي البشري أن يُظهر مرونة أعلى، وهو الأمر الذي لا يزال من الصعب على أنظمة الذكاء الاصطناعي الحالية تحقيقه.
ارتباط التنبؤات من نماذج الذكاء الاصطناعي المختلفة بمتوسط المجموعة البشرية. مصدر الصورة: مرجع [4]
وتتأثر حاسة الشم لدى الإنسان أيضًا بالعديد من العوامل الأخرى، مثل الحالة المزاجية والصحة والخبرة الحياتية وما إلى ذلك. وقد تؤثر هذه العوامل على إدراكنا وحكمنا على الروائح.
تضيف هذه المتغيرات طبقة من التعقيد إلى حاسة الشم البشرية، والتي يفتقر إليها الذكاء الاصطناعي لفهم ومحاكاة نظام الشم البشري بشكل كامل.
خاتمة
على الرغم من أن الذكاء الاصطناعي أظهر إمكانات مثيرة للإعجاب في مجال تكنولوجيا حاسة الشم وحقق تقدمًا كبيرًا في بعض المجالات، إلا أنهلكنها لم تتجاوز البشر بشكل كامل بعد. ولكل منها مزايا وقيود مختلفة. مع استمرار التقدم التكنولوجي، لدينا سبب لنتوقع أن يحقق الذكاء الاصطناعي المزيد من الإنجازات في مجال الرائحة.
ومع ذلك، لا يزال هذا المجال يواجه تحديات مختلفة، مثل التحديد الدقيق لجزيئات الرائحة واستقرارها وإمكانية تكرار نتائجها، الأمر الذي يتطلب مزيدًا من البحث والتحسين. أيضًا،يعد القبول العام والثقة في هذه التكنولوجيا الناشئة أيضًا من العوامل الرئيسية التي تدفع تطبيقها الناجح.
باختصار، تتمتع تقنية الذكاء الاصطناعي الشمية بآفاق تطوير واسعة وإمكانيات غير محدودة، لكن مسار تطورها المحدد ونتائجها لا تزال بحاجة إلى الوقت والممارسة للتحقق منها. ونحن نتطلع إلى أن يتمكن الباحثون العلميون والمهندسون من حل هذه التحديات وتوفير المزيد من الراحة والأمان للمجتمع.
مراجع
[1] إدموند تشونغ، مونيكا موروني، كريستوفر ويلسون، وآخرون. يكشف التعامل مع الروائح الضوئية الاصطناعية الاصطناعية عن منطق ترميز الإدراك الشمي (Science 2020, 368, 6497).
[2] لولو جو، جي تشنغ، شو ليان، وآخرون. الأساس الهيكلي لإدراك رائحة الأمين بواسطة مستقبلات مصنع الثدييات. الطبيعة 2023، 618، 193.
[3] جيا دوان، بييو شو، شياو دونغ لوان، وآخرون. التنشيط بوساطة الهرمونات والأجسام المضادة لمستقبلات الثيروتروبين. Nature 2022,609,854.
[4] بريان ك. لي، إميلي جيه. مايهيو، بنجامين سانشيز-لينجلينج، وآخرون. خريطة الرائحة الرئيسية تعاقب المهام المتنوعة في الإدراك الشمي. العلوم 2023، 381، 999.