嗅覺(jué)AI：為減少食物浪費(fèi)出點(diǎn)力

　　正如人類在“眼耳鼻舌身”這些不同感覺(jué)器官在獲取信息中所占的比重不同，在AI技術(shù)當(dāng)中的感知智能也幾乎呈現(xiàn)出相似結(jié)構(gòu)的比重，其中，機(jī)器視覺(jué)的比重最大，可謂是一枝獨(dú)秀，幾乎是市面上人工智能應(yīng)用的代名詞。另外一種是聽(tīng)覺(jué)智能，主要應(yīng)用是在語(yǔ)音語(yǔ)義識(shí)別，其他類型的聲音識(shí)別也有一些應(yīng)用出現(xiàn)，而其他感知智能的開(kāi)發(fā)占比就更小的多了。

　　根據(jù)最近幾年的觀察，研究人員已經(jīng)對(duì)氣體的AI識(shí)別，特別是對(duì)氣體或液體的有害性識(shí)別上有所進(jìn)展�，F(xiàn)在研究人員對(duì)于食物的氣味識(shí)別，有了新的嗅覺(jué)智能的解決方案。

　　最近，新加坡南洋理工大學(xué)(NTU Singapore)的一個(gè)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種嗅覺(jué)AI系統(tǒng)，通過(guò)模仿我們?nèi)祟惖谋亲�，借助一個(gè)“條形碼”閱讀器作為中介，來(lái)識(shí)別肉類食物的新鮮程度。

　　初次看到這一研究，很多人覺(jué)得跟人類的嗅覺(jué)能力相比，應(yīng)用范圍實(shí)在太窄。但經(jīng)驗(yàn)告訴我們，一旦專業(yè)性的AI應(yīng)用在大規(guī)模普及的實(shí)際場(chǎng)景中，將可以帶來(lái)非常驚人的生產(chǎn)力提升效果。而基于這一項(xiàng)嗅覺(jué)AI的研究，在食物的新鮮度檢測(cè)上面，將可能大有作為。

　　緣起：為什么要做食物新鮮度檢測(cè)?

　　餐桌上的浪費(fèi)，已經(jīng)成了很多人日常生活中可以熟視無(wú)睹的一種常態(tài)。相比較這種“看得見(jiàn)”的浪費(fèi)，那些在食物被做好端上餐桌之前的浪費(fèi)則更加隱蔽，浪費(fèi)也更加嚴(yán)重。

　　根據(jù)全球農(nóng)業(yè)與食品營(yíng)養(yǎng)問(wèn)題委員會(huì)的一份報(bào)告，全世界每年浪費(fèi)13億噸糧食，總價(jià)值在1萬(wàn)億美元，而其中三分之一在端上餐桌前就已經(jīng)被浪費(fèi)掉。其中，每年超過(guò)半數(shù)的水果和蔬菜被浪費(fèi)掉，25%的肉類沒(méi)能端上餐桌還有像種子、堅(jiān)果、奶制品以及海產(chǎn)品等高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的食物因保存不當(dāng)被浪費(fèi)掉。與此同時(shí)，全世界有30億人處在食物缺乏或營(yíng)業(yè)不均衡狀態(tài)。

　　全球性的糧食危機(jī)和食物的結(jié)構(gòu)性浪費(fèi)問(wèn)題，是一個(gè)舉世公認(rèn)的難題。除了呼吁富裕地區(qū)的消費(fèi)者在購(gòu)買(mǎi)食材、消費(fèi)食物的過(guò)程中奉行節(jié)約、適量、打包等原則外，還有另外一個(gè)解決途徑就是重新優(yōu)化食物生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸和售賣(mài)的各個(gè)環(huán)節(jié)，減少這個(gè)階段的食物損耗。

　　具體到食物的流通環(huán)節(jié)，有大量食物是因?yàn)殚L(zhǎng)相不好就被零售商丟掉，有一些容易腐爛的食物則會(huì)在運(yùn)輸、儲(chǔ)存和冷凍過(guò)程中壞掉，還有更多食物是在貨架上臨近保質(zhì)期而被扔掉，也有大量食物在消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)回家后來(lái)不及食用而被丟掉。

　　在這個(gè)過(guò)程中，我們可以注意到，新鮮度對(duì)于這些食物是否會(huì)被丟棄非常重要。如何隨時(shí)檢測(cè)這些食物的新鮮度，并且區(qū)分出不同的銷售日期或者給出更為優(yōu)惠的價(jià)格，將可以更好地促進(jìn)這些食物的出售;同樣對(duì)于已經(jīng)被消費(fèi)者買(mǎi)到家的食物，一些人會(huì)對(duì)不太新鮮的食物保持警惕而直接扔掉，也有一些人可能無(wú)法判斷食物的腐爛情況而照單全收，這樣又可能會(huì)造成食物健康風(fēng)險(xiǎn)。

　　通常來(lái)說(shuō)，我們都是靠著個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和自己的嗅覺(jué)能力來(lái)判斷這些食物的新鮮程度，但顯然食物零售商們做不到雇人隨時(shí)檢測(cè)變化來(lái)評(píng)估食物的使用周期，消費(fèi)者做不到對(duì)冰箱里的生鮮食物做到準(zhǔn)確判斷。

　　如果有一套能夠準(zhǔn)確測(cè)算，又就如同塑料包裝一樣便宜好用的設(shè)備來(lái)對(duì)食物進(jìn)行新鮮度監(jiān)測(cè)的話，那就可以極大提高食物的利用效率，比單純張貼一個(gè)固定的建議食用日期，更能夠反映食物的可食用狀態(tài)。

　　現(xiàn)在，新加坡南洋理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)明的這套嗅覺(jué)AI系統(tǒng)，將為解決這一問(wèn)題打開(kāi)一個(gè)新的思路。

　　AI電子鼻：為肉類新鮮度標(biāo)上“氣味指紋”

　　實(shí)現(xiàn)嗅覺(jué)AI，有一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是如何將嗅覺(jué)的對(duì)象——“氣味”進(jìn)行數(shù)據(jù)化統(tǒng)計(jì)?

　　從目前看到的研究方向來(lái)說(shuō)，有以下幾種方式。一種是還原的方式，比如谷歌的科學(xué)家們采用的方式就是通過(guò)氣味的識(shí)別模型來(lái)推到出氣體的分子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而再推到大腦嗅覺(jué)感知的運(yùn)作方法。一種是模擬的方式，比如尼日利亞的一個(gè)研究小組直接用生物傳感器和芯片來(lái)識(shí)別特定氣味，他們研發(fā)了一種使用小鼠神經(jīng)元制造的計(jì)算機(jī)芯片，可以通過(guò)氣味訓(xùn)練，用來(lái)檢測(cè)揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)、爆炸物甚至是癌癥等疾病的氣味。

　　由于氣味本身具有非常高度混合性或者非結(jié)構(gòu)化特征，往往很難直接對(duì)氣體的分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行還原或進(jìn)行模擬分析，否則只能變成對(duì)某些單一氣體進(jìn)行分辨和識(shí)別。

　　這一次，新加坡南大團(tuán)隊(duì)發(fā)明的這種嗅覺(jué)AI系統(tǒng)則是對(duì)“氣味”的數(shù)據(jù)化進(jìn)行兩個(gè)步驟的拆解，將氣味的化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變成圖形顏色的識(shí)別信號(hào)，解決了氣味本身的復(fù)雜度問(wèn)題。

　　這個(gè)嗅覺(jué)AI系統(tǒng)被稱為“電子鼻”(e-nose)，保護(hù)兩個(gè)部分：1、條形碼：能夠根據(jù)肉類腐爛時(shí)產(chǎn)生的氣體而改變顏色;2、閱讀器：一個(gè)經(jīng)過(guò)深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法驅(qū)動(dòng)的手機(jī)應(yīng)用程序。電子鼻的“閱讀器”可以根據(jù)大量的條形碼顏色庫(kù)當(dāng)中識(shí)別和預(yù)測(cè)肉類的新鮮程度。

　　另外，為了使電子鼻便于攜帶，研究者將其整合到一個(gè)智能手機(jī)應(yīng)用中，可以在30秒內(nèi)得出結(jié)果。

　　首先，電子鼻的條形碼模擬了我們?nèi)祟愋嵊X(jué)的工作方式。當(dāng)腐爛的肉類食物產(chǎn)生的氣體和我們鼻子中的受體結(jié)合的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生特定信號(hào)傳送給大腦，大腦根據(jù)這些信號(hào)并給出相應(yīng)的模式，使得我們能夠判斷這些肉類食物的腐爛的程度。

　　2004年諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng)得主理查德阿克塞爾和琳達(dá)巴克曾經(jīng)在嗅覺(jué)機(jī)理研究中發(fā)現(xiàn)，人類雖然只有1000種左右的嗅覺(jué)基因(細(xì)胞類型)，但可以感受和辨識(shí)10000種以上的氣味化學(xué)物質(zhì)，這種辨別氣味的復(fù)雜度可以逆天，當(dāng)然還遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上狗狗的能力。

　　而在電子鼻的條形碼中，有20個(gè)條碼，條碼是由一種裝載了不同類型燃料的纖維素殼聚糖制成的，這些燃料會(huì)跟肉類釋放的氣體發(fā)生反應(yīng)，并根據(jù)不同類型和濃度的氣體而改變顏色，從而形成獨(dú)特的顏色組合，相當(dāng)于一種肉類狀態(tài)的獨(dú)特的“氣味指紋”。

　　例如，條形碼中的第一條含有一種呈弱酸性的黃色燃料，在跟肉類腐爛產(chǎn)生的胺化物接觸時(shí)，就會(huì)從黃色變?yōu)樗{(lán)色，而且隨著胺化物濃度的增加而加深顏色。

　　那么，如何讓“閱讀器”能夠識(shí)別這些“氣味指紋”并能識(shí)別肉類的新鮮度呢?

　　第二步就是，研究者要先按照肉類新鮮度的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定一個(gè)分類系統(tǒng)，然后在真實(shí)環(huán)境下對(duì)不同時(shí)間的儲(chǔ)存的肉類進(jìn)行條形碼的檢測(cè)和圖像拍攝，并按照新鮮度進(jìn)行分類。然后用不同條碼的圖像訓(xùn)練相應(yīng)的嗅覺(jué)算法，建立起“氣味指紋”和不同類別新鮮度對(duì)應(yīng)的模式。

　　第三步，模型建立起來(lái)之后，研究者就可以測(cè)試電子鼻的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度了。研究人員分別對(duì)商業(yè)包裝好的雞肉、魚(yú)肉和牛肉的新鮮度進(jìn)行了新鮮度測(cè)試。在48小時(shí)內(nèi)，對(duì)六種肉類以不同的時(shí)間間隔拍攝了超過(guò)4000張的條形碼圖像，其中3475張用于訓(xùn)練捕捉到氣味指紋的模式，其余用于準(zhǔn)確性測(cè)試。最終結(jié)果顯示，總體準(zhǔn)確率到達(dá)98.5%，其中變質(zhì)肉類的準(zhǔn)確率100%，識(shí)別為新鮮和不太新鮮肉類的準(zhǔn)確率為96%和99%。

　　對(duì)于嗅覺(jué)AI模型達(dá)到這樣的準(zhǔn)確度，我們其實(shí)并不感到意外，雖然人類在識(shí)別這些條碼顏色上可能會(huì)陷入混亂，但是對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)識(shí)別這些條碼顏色，而且只有三種結(jié)果分類來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)直是小菜一碟。

　　其實(shí)對(duì)于一個(gè)實(shí)驗(yàn)室中的AI模型而言，我們可能更關(guān)心的是其是否有落地應(yīng)用的可能?

　　嗅覺(jué)AI，每一份食物新“標(biāo)配”?

　　那么，這款專門(mén)用于“肉類新鮮度”識(shí)別的電子鼻是否有商用的前景呢?

　　可能性是有的。首先嗅覺(jué)AI的識(shí)別準(zhǔn)確度顯著高于目前常用的一些判斷方法，而在識(shí)別效率上又明顯優(yōu)于人類的肉眼。

　　其次是條形碼的環(huán)保材料和低廉成本，使其很容易集成到包裝材料中，并且因其可生物降解性和無(wú)毒特性，能夠保證環(huán)保的情況下用于食品供應(yīng)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)，又因其不需要不知笨重的信號(hào)收集線的采集方式，也使其能夠大量應(yīng)用于生產(chǎn)和生活場(chǎng)景。

　　第三是可食用日期的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)會(huì)帶來(lái)肉類的更好銷售。對(duì)于商家而言，可以根據(jù)對(duì)肉類新鮮程度的判斷給出更精準(zhǔn)的保質(zhì)期，從而可以給出更好的價(jià)格策略，來(lái)對(duì)不同日期的肉類進(jìn)行標(biāo)價(jià)。對(duì)于消費(fèi)者而言，也可以按照這些肉類的新鮮度來(lái)安排烹飪的先后時(shí)間。

　　我們也可能質(zhì)疑這一款應(yīng)用的實(shí)用性。因?yàn)閷?duì)于很多消費(fèi)者而言，買(mǎi)回家的肉類如果一下子吃不完就直接扔到冷凍柜中，也就不在乎什么新鮮度的問(wèn)題。

　　確實(shí)，如果將嗅覺(jué)AI僅用于肉類這一個(gè)場(chǎng)景，其實(shí)并沒(méi)有解決多少的食物浪費(fèi)問(wèn)題。商家更多扔掉的是那些看起來(lái)賣(mài)相不佳的瓜果蔬菜，我們也常常對(duì)那些拿不準(zhǔn)的食材產(chǎn)生懷疑，并隨手丟棄。

　　顯然，這一嗅覺(jué)AI應(yīng)該擴(kuò)大可以準(zhǔn)確識(shí)別的食物種類。根據(jù)介紹，目前該方案已經(jīng)申請(qǐng)專利，該團(tuán)隊(duì)正在和新加坡的一家農(nóng)業(yè)企業(yè)進(jìn)行合作，將這一設(shè)備應(yīng)用到其他種類的容易腐爛的食物上面。

　　有時(shí)候，我們總是高估那些顛覆性的創(chuàng)新的價(jià)值，而忽視那些微小的改進(jìn)型的創(chuàng)新的價(jià)值。有時(shí)候，我們總是嘲笑那些笨拙的、簡(jiǎn)單的發(fā)明，而過(guò)分相信那些精巧的、細(xì)致的人類工藝。但工業(yè)革命的歷史告訴我們，每一個(gè)改變生產(chǎn)力方式的變革都是從那些笨拙、粗糙和緩慢迭代的發(fā)明中出現(xiàn)的，就如那最初的蒸汽火車(chē)、那簡(jiǎn)陋的電報(bào)機(jī)、那手工焊接出來(lái)的晶體管，而像人工智能同樣如此，一開(kāi)始可能只能認(rèn)出很狹窄的一點(diǎn)事物，但隨著學(xué)習(xí)能力的增加和無(wú)限可復(fù)制的特性，很快就可以在某些領(lǐng)域超越人類中的高手。

　　顯然，嗅覺(jué)AI，我相信，也具有同樣的潛力，雖然如今只是一個(gè)從實(shí)驗(yàn)室走出的“弱雞”，但也許有一天就如同價(jià)簽、二維碼一樣，成為我們?nèi)粘Ｉ�活中無(wú)處不在的存在，成為每一份新鮮食物的標(biāo)配。

　　通過(guò)嗅覺(jué)AI和更多傳感器的分析和預(yù)測(cè)，告訴我們關(guān)于食物的新鮮度、營(yíng)養(yǎng)水平、碳排放以及與世界其他地區(qū)的關(guān)系，讓我們參與到一場(chǎng)全世界食物更公平分配的宏大愿景中。