Das Epos, einen Roboter mit dem Duft eines Hundes zu erschaffen

Andrei Mershin ist immer noch wütend auf Hunde. "Nun, eigentlich liebe ich sie", sagt ein griechisch-russischer Wissenschaftler in seinem komfortablen Büro am Massachusetts Institute (MIT). "Aber sie machen mich einfach."

Er enthält ein Video, um zu zeigen, wovon er spricht. Darin kommt ein schwarz-weißer Spaniel namens Lucy bis zu sechs Gläser mit menschlichem Urin. Der Hund schnüffelt sie manchmal - kurz, manchmal - etwas länger und versucht offensichtlich, etwas herauszufinden. Tatsächlich stellt sie eine Diagnose. Sucht nach Kontrollgeruch, der auf Prostatakrebs hinweist. Es stellt sich heraus, dass dieser Krebs dem männlichen Urin eine charakteristische Note verleiht. Ganz auffällig - zumindest für den Hund. Als Lucy ein Glas von einer Krebspatientin findet, sitzt sie ihm gegenüber und erhält von ihren Trainern eine Belohnung.

Unter Menschen, die zum Mond geflogen sind, ein Foto eines Schwarzen Lochs erhalten und Autos mit Autopiloten gebaut haben, wird die Definition von Prostatakrebs immer noch als sehr schwierige Aufgabe angesehen. Grundsätzlich versucht die Menschheit, das Blut des Patienten auf erhöhte Spiegel spezifischer Proteine ​​(PSA) zu testen. Der Erfolg dieser Lektion ist jedoch äußerst zweifelhaft. Der Wissenschaftler, der den PSA zum ersten Mal entdeckte, bezeichnete den Test als "etwas erfolgreicher als das Werfen einer Münze". Ein falsches Positiv kann zu einer Biopsie der Prostata führen, ein äußerst unangenehmes Verfahren, bei dem eine große Kanüle durch die Wand des Rektums eingeführt wird, um Gewebeproben zu entnehmen.

Auf der anderen Seite können gut trainierte Hunde Prostatakrebs mit einer Genauigkeit von mehr als 90% erkennen, und für sie ist dies überhaupt kein Problem. Lucy bearbeitet sechs Proben in weniger als zwei Minuten. Andrei Mershin kann sich damit nicht abfinden:

Wir haben unten Ausrüstung im Wert von mehr als 100 Millionen US-Dollar. Und besiegt mich der Hund? Es macht mich nur wütend.

Mershin ist kein Arzt. Er ist ausgebildeter Physiker. Er leitet das Labor der Label Free Research Group und hebt die Grenzen zwischen Physik, Biologie und Informatik auf. Mershins Büro verfügt über eine Brille, mit der Gehirnwellen, Luftfahrtmagazine, Urologiebücher und Python-Codierungsbücher gemessen werden können. Er weigert sich, die gleichen Socken zu tragen und spricht sehr schnell mit russischem Akzent und wechselt ständig die Themen. Er ist klein und rundlich, mit einem großen weißen Haarschopf, der hin und wieder abprallt, wenn er über etwas aufgeregt ist.

Mershins Labor mit seinen 100-Millionen-Dollar-Geräten befindet sich ein paar Stockwerke unter seinem MIT-Büro. In einem Raum versuchen Forscher, neue Farben zu erfinden. In einem anderen, um die leichtesten und haltbarsten Materialien auf dem Planeten zu schaffen. Ihr faszinierendstes Projekt ist jedoch die Entwicklung von AO (anstelle von AI) - künstlichem Geruch. Einfach ausgedrückt, sie versuchen, Robotern das Schnüffeln beizubringen.

Die Welt ist bereits voll von Maschinen, die sehen, sprechen und sogar (primitiv) denken können. Aber versuchen Sie einen zu finden, der riecht. Das Problem ist, dass der Geruchssinn von den Menschen selbst immer noch unterschätzt wird. Die meisten Kreaturen auf unserem Planeten werden in vielerlei Hinsicht vom Geruch geleitet, aber wir sind keine dieser Kreaturen. Immanuel Kant sagte zum Beispiel, dass Geruch „der nutzloseste“ unserer fünf Grundsinne ist. In einer Umfrage von 2011 gaben 53% der 16- bis 22-Jährigen an, ihren Geruchssinn lieber aufzugeben als ein Smartphone oder einen Computer.

In den letzten Jahren hat sich jedoch zunehmend gezeigt, dass der Geruch, wenn Sie eine geeignete Nase für seine Wahrnehmung haben, eine echte Supermacht sein kann. Seit Tausenden von Jahren verwenden Menschen Hunde, um Tiere zu jagen und dann Drogen und Bomben zu finden. Und erst in den frühen 2000er Jahren begannen wir zu erraten, dass es in Wirklichkeit viel mehr Anwendungen für eine gute Nase geben könnte. Alles begann, als die Forscher plötzlich erkannten, dass unsere Haustiere die ersten Anzeichen eines Melanoms riechen konnten. Es gibt genug Neuigkeiten in den Nachrichten darüber, wie dieser oder jener Hund seine Geliebte rettete, indem er anfing zu jammern und in ihre Brust zu stechen. Eine von Mershins Forschungskollegen, Claire Guest, wurde selbst gerettet, als ihr Hund Daisy 2009 plötzlich anfing, ihre Nase unter die Brust zu schieben, und Claire beschloss, sich für alle Fälle beim Arzt zu erkundigen.

Am Ende stellte sich heraus, dass es 10 Krebsarten mit einem besonders starken Geruch gibt. Am bemerkenswertesten sind Brust-, Lungen-, Eierstock-, Prostata- und Darmkrebs. Es stellte sich auch heraus, dass Hunde durch Geruch die Tageszeit und die Luftbewegung im Raum bestimmen. Sie können die Annäherung einer diabetischen Episode in wenigen Stunden spüren und den emotionalen Zustand einer Person ohne visuelle Hinweise verstehen. Und nicht nur Hunde, Katzen und andere Tiere besitzen solche „übernatürlichen Fähigkeiten“. Und dank einer schottischen Krankenschwester mit einer sehr gepumpten Nase haben Wissenschaftler kürzlich erfahren, dass Menschen mit Parkinson-Krankheit einen charakteristischen „holzigen, moschusartigen Geruch“ entwickeln - Jahre bevor sich die ersten Symptome manifestieren.

All dies wird am Ende nicht so sehr über Hunde als über die Welt um uns herum erreicht. Die Welt, über die wir noch so wenig wissen. Ereignisse und Krankheiten und sogar psychische Zustände hinterlassen charakteristische Spuren in der Luft. Was nur lernen muss, um zu unterscheiden. Es stellt sich heraus, dass Geruch oft der beste Weg ist, bestimmte Dinge zu finden und zu unterscheiden. Und die nächste Methode wiederum ist entweder zu teuer (Chromatographie / Spektrometrie), schmerzhaft (Biopsie) oder fast unrealistisch (Gedanken lesen).

Stellen Sie sich ein Auto (Sensoren + KI) vor, das Aromen um ein Vielfaches besser erfassen und erkennen kann als ein Hund. Zumindest wird jedes Krankenhaus dies wollen. Jede Parfümfirma. Idealerweise, wenn die Preise sinken - jede Person über 45, die einem Risiko für eine Reihe von Krankheiten ausgesetzt ist. Und noch weiter, mit der Entwicklung der Technologie, wer weiß, werden wir vielleicht sogar lernen, wie man einen sexuellen Vergewaltiger oder eine Person identifiziert, die sich entschlossen hat, durch Geruch in einer Menschenmenge zu töten.

Leider haben wir keine Roboter entwickelt, die riechen können, da der Geruchssinn ein großes biologisches Rätsel bleibt. Wissenschaftler versuchen immer noch zu verstehen, wie wir all diese flüchtigen Verbindungen fühlen, wie wir ein Molekül von einem anderen trennen und wie unser Gehirn all diese Informationen so schnell klassifizieren kann. "In diesem Bereich gibt es mehr Fragen als Antworten", beklagt sich Hiroaki Matsunami, ein Forscher an der Duke University.

Andrei Mershin glaubt jedoch, dass wir kein tiefes Verständnis dafür brauchen, wie Säugetiere riechen, um eine künstliche Nase aufzubauen. Er legt die Tatsache fest, dass alles genau das Gegenteil sein wird. Um zu verstehen, wie die Nase funktioniert, müssen wir sie zuerst erstellen! Mit seinem brillanten Lehrer Shuguan Zhang entwickelte Andrei Mershin ein Gerät, von dem selbst seine Hauptkonkurrenten, Hunde, etwas lernen können.

Geruchstheorie

Im Mai 1914 wandte sich Alexander Graham Bell an die Absolventen einer Schule in Washington. Der 67-jährige Erfinder des Telefons war eine eher ungewöhnliche Person, und seine Leistung unterschied sich auch vom normalen "Abschieds-Erwachsenenalter". Stattdessen stellte er den Schülern eine Reihe von Fragen und schlug Forschungsbereiche vor, die Früchte tragen könnten, wenn einer der Jugendlichen dieses Thema ernsthaft aufgreift. Eine seiner Fragen war "Kann ich riechen?":

Was ist Aroma? Ist es die Emission physikalischer Partikel in der Luft oder ist es eine Form von Vibration wie Schall? Wenn es sich um Strahlung handelt, sollten Sie sie wiegen können, und wenn es sich um Vibration handelt, können Sie versuchen, sie vom Spiegel zu reflektieren. Wenn Sie den Ehrgeiz haben, ein neues Gebiet der Wissenschaft zu entdecken, versuchen Sie, den Geruch zu messen.

Mehr als ein Jahrhundert ist vergangen, aber niemand hat dieses Bell-Rätsel gelöst. Und es gibt immer noch Debatten darüber, ob der Geruch eine Vibration oder eine chemische Reaktion zwischen Partikeln ist. (Die Vibrationstheorie ist viel kontroverser, aber niemand versteht den Geruchssinn so gut, dass er vollständig beseitigt werden kann.) Tatsächlich konnten Wissenschaftler erst kürzlich, 1991, die grundlegenden genetischen und physiologischen Faktoren der Geruchswahrnehmung bei Säugetieren untersuchen.

Dann veröffentlichten die Biologen Linda Buck und Richard Axel ihre Arbeiten zu 1000 Genen, die für etwa tausend Geruchsrezeptoren in Mäusen verantwortlich sind. Es stellte sich heraus, dass sich alle im Epithel oben in der Nasenhöhle befinden, genau an der Stelle, an der der Schädel beginnt. Wenn wir tief durchatmen, passieren die Moleküle diese Rezeptoren und die Erregten senden ein Signal an unser Gehirn. Aber selbst das, sagten Wissenschaftler damals, zeigt nur, wie die Wahrnehmung von (einigen) Gerüchen beginnt. Und wie die Interaktion mit Rezeptoren stattfindet, ist ebenfalls nicht ganz klar.

Darüber hinaus verursachte die Anzahl der entdeckten Rezeptoren ein mathematisches Problem. Menschen haben ungefähr 400 dieser Geruchsrezeptoren, 2,5-mal weniger als Mäuse. Aber wir können ungefähr 10.000 verschiedene Gerüche riechen. Wie ist das

Buck und Axel stellten die Theorie auf, dass Geruch eine Frage der Kombination ist. Jeder Rezeptor ist nur für die Erfassung bestimmter Moleküle verantwortlich, und wir riechen einen charakteristischen Geruch, wenn mehrere verschiedene Rezeptoren gleichzeitig „eingeschaltet“ werden. Der Forscher John Kayer vergleicht diese Theorie mit dem Klavierspielen:

Das Klavier hat nur 88 Tasten. Wenn jeder Schlüssel für einen Geruch verantwortlich wäre, könnten Sie nur 88 verschiedene Gerüche fühlen. Dies ist offensichtlich nicht der Fall. Aber wenn Gerüche wie Akkorde sind, nimmt die Mathematik Gestalt an.

Buck und Axel erhielten 2004 für ihre Arbeit den Nobelpreis. Jetzt treten Mershin und andere Wissenschaftler in ihre Fußstapfen: Sie nahmen das Postulat an, dass Geruch nur eine Liste von Molekülen ist, die die Haut in unserer Nase registriert und an unser Gehirn weitergibt. Wenn Sie den Geruch von Knoblauch verstehen möchten, müssen Sie nur seine chemischen Bestandteile zerlegen. Und irgendwo in diesen Molekülen, in ihrer spezifischen Menge, wird die Geschichte dieses Geruchs dargelegt.

Eintauchen in die Welt der Aromen. Erster Kilometerzähler

Nach der Veröffentlichung von Axel und Buck verging nicht viel Zeit, da ernsthafte Arbeiten an der Schaffung einer künstlichen Nase begannen. DARPA , verantwortlich für die Entwicklung neuer Technologien für die US-Armee, stellte 1997 25 Millionen US-Dollar für das Projekt bereit. Sie wollten Hunde in Fragen der Minensuche ersetzen. Das Programm hieß "Dog Nose". Die Agentur finanzierte Wissenschaftlerteams im ganzen Land, um Schnüffelmaschinen zu bauen und sie zum Testen nach Missouri zu bringen. Die Erde war übersät mit allen möglichen Arten von Minen, von kleinen Splittergeräten, die darauf abzielen, eine Person zu besiegen, bis zu schweren Einheiten, die einen Panzer untergraben sollen.

Das Betreten von Minen war natürlich sicher, sie wurden neutralisiert. Trotzdem blieb eine Ladung in ihnen (schließlich hätten sie durch Geruch gefunden werden müssen), und deshalb könnten sie in die Luft gesprengt werden - sagen wir, wenn ein Blitz sie traf. John Kayer, der einer der Teilnehmer an diesem Programm war, sagte, sie müssten dann evakuieren, sobald sie Anzeichen eines nahenden Gewitters sahen.

Zu Testzwecken baute Kayer ein graues Gerät in der Größe eines Schuhkartons. Er nannte es ScenTrak (jetzt wird die aktualisierte Version übrigens online verkauft). Es gab keine wirklichen Rezeptoren darin. Stattdessen wurde es mit langen Ketten von Molekülen (Polymeren) gefüllt, von denen Kayer wusste, dass sie auf DNT reagieren würden, das Molekül, das in den meisten Minen vorkommt. Wenn sich in der Nähe von ScenTrak ein Sprengstoff befand, wurde der DNT an die Polymere gebunden und sie sendeten ein Signal. Die Schachtel begann "Mina!" Zu rufen.

So hat es unter idealen Bedingungen funktioniert. Im Labor spürte die Maschine den "Geruch" des DNT-Moleküls perfekt. Aber auf dem Feld, bei frischer Luft, Wind und Staub, funktionierte sein Gerät nicht richtig. Polymere reagierten auf alles - DNT, Wetter, Pflanzen, einige Bodenarten.

Andere am Wettbewerb teilnehmende Geräte (eines namens Fido, das andere Cyranose) arbeiteten nach dem gleichen Prinzip. Alle verwendeten Polymere, die gegenüber bestimmten Substanzen empfindlich waren. Und alle hatten ernsthafte Einschränkungen, sie arbeiteten nur unter streng definierten Bedingungen. (Am erfolgreichsten war übrigens Fido , das jetzt an Kontrollpunkten eingesetzt wird, um Sprengstoffe aus nächster Nähe zu erkennen.)

All dies kann jedoch kaum als Geruchssinn bezeichnet werden - so wie nicht gesagt werden kann, dass der Kohlenmonoxiddetektor, der einen Alarm enthält, „Rauch riecht“. Aus irgendeinem Grund arbeiten all diese Sensoren in einer Umgebung mit vielen Gerüchen sehr schlecht und geben ständig falsch positive Signale ab, selbst wenn sich in der Nähe kein Sprengstoff befindet.

Jetzt glauben Wissenschaftler, dass der Grund in der zu primitiven Theorie liegt, auf der diese Geräte aufgebaut wurden. Die Idee von Anfang der 90er Jahre über für sie berechnete Moleküle und Rezeptoren ist in der Tat nur die Spitze des Eisbergs. Es stellt sich heraus, dass manchmal Moleküle mit identischer Form einen völlig anderen Geruch haben. Und manchmal riechen Substanzen, deren Moleküle überhaupt nichts ähneln, für uns gleich. Mit anderen Worten, die Form und Zusammensetzung der Moleküle bestimmt nicht immer das Aroma.

Jetzt wurde die Theorie ergänzt, noch schwieriger gemacht (und sie ist immer noch nicht gut verstanden). Kurz gesagt, jeder Rezeptor " liebt " bestimmte Moleküle mehr, kann aber fast alles einfangen. In unserer Nase bilden sich ständig neue Kombinationen zusammengesetzter Moleküle, und diese Kombination von Daten aller unserer Rezeptoren bestimmt, wie wir riechen. Das Klavier hat nicht nur 88 Tasten mit Akkorden, sondern auch Pedale und Lautsprecher. Dr. Zhang sagt:

Sie können jede der Tasten im Akkord mit unterschiedlichen Stärken drücken. Schwach erhalten Sie einen Klang, der stärker ist - einen anderen.

Im Allgemeinen erwies sich die Geruchstheorie als so komplex, dass selbst Menschen wenig Lust haben, sie anzunehmen. Es ist immer noch möglich, ein Molekül zu bestimmen, aber einen bestimmten Satz davon zu fühlen, und zwar mit der gewünschten Intensität, und selbst wenn diese Intensität für jedes Molekül unterschiedlich sein sollte ... Brr. Nein, danke.

Dr. Zhang

Mershin und Zhang sind ein seltsames, aber harmonisches Paar. Mershin geht selten zweimal den gleichen Weg. Als wir uns auf dem Weg von der MIT-Cafeteria zu seinem Büro verirrten, gab er zu, dass ihm dies regelmäßig passiert. Darüber hinaus ist er "auch in Gedanken verloren, nicht nur geografisch, sondern auch intellektuell". In seinen eigenen Worten ist er Legastheniker, synästhetisch, farbenblind für Rosa und Grau, er erinnert sich nicht an das Gesicht, er hat eine Aufmerksamkeitsdefizitstörung. Manchmal vergisst er die Adresse seines Hauses. Er ist auch unersättlich neugierig und von neuem Wissen begeistert.

Um die Bedeutung von Aromen zu verstehen, entwickelte er einmal ein Spiel für seine Kinder, in dem sie einen Wattebausch mit Parfums einweichen, sich die Augen verbinden und dann versuchen mussten, ihn zu finden. Neben Gerüchen baut er derzeit in Namibia Häuser aus Pilzen und Möglichkeiten, Schwermetalle aus dem Wasser zu entfernen. "Ich kann eins nicht tun. Aber ich arbeite gerne mit Menschen zusammen, die sich sehr auf ihr Ziel konzentrieren und gelernt haben, bestimmte Dinge besser zu machen als jeder andere auf der Welt. “

Zhang ist so eine Person. Wenn Mershin ständig geschäftig ist, ist Zhang immer ruhig und konzentriert. Er glaubt, um etwas zu erreichen, muss man tief in ein Projekt gehen, eine Frage. Seit 2003 untersucht er den Geruchssinn und versucht, die Rezeptoren und ihre Arbeit zu verstehen. Seit der Veröffentlichung von Buck und Axel sind Jahrzehnte vergangen, aber bisher konnte niemand sie betrachten - weder unter dem Mikroskop noch durch Röntgenkristallographie. Dies ist einer der Gründe, warum der Geruchssinn so ein Rätsel bleibt. Wir können auf der primitivsten Ebene nicht sehen, was genau diese Rezeptoren tun. Binden sie Moleküle an sich selbst? Wie? Beeinflussen Faktoren wie Luftfeuchtigkeit oder andere Substanzen ihre Arbeit? Niemand weiß es.

Zhang verbrachte viele Jahre damit, eine Methode zu entwickeln, um den Rezeptor zu sehen. Soweit er weiß, handelt es sich um Membranproteine ​​mit einer sehr komplexen Struktur. Jedes ist wie ein langer Faden, der eine Membran umwickelt und durchläuft, die die Zelle von der Außenwelt trennt. Wenn dieses komplexe Muster ein wenig verändert wird, funktioniert der Rezeptor nicht. Selbst wenn Sie ein solches Rezeptorprotein kippen oder umdrehen, wird es sich weigern, seine Funktion zu erfüllen.

Etwa die Hälfte des Rezeptors befindet sich außerhalb der Zelle und ist bereit, neue Moleküle aufzunehmen. Wenn er daran festhält, ändert sich seine Form und die Zelle sendet ein Signal an das Gehirn.

Um einige dieser Tatsachen zu verstehen und die genaue Struktur des Rezeptors herauszufinden, arbeitete Zhang seit 2003. Bisher hat er jedoch noch keinen mit eigenen Augen gesehen: Sie reagieren zu negativ auf eine äußere Umgebung. Und sie sind zu klein.

Aber die Arbeit von Shuguang Zhang war nicht umsonst. Als DARPA 2007 ein neues Projekt startete, RealNose, um nach dem Geruch von improvisiertem Sprengstoff im Irak und in Afghanistan zu suchen. Diesmal waren Polymere und andere künstliche Medikamente, die die Arbeit von Rezeptoren nachahmen, nicht gut. Die Bedingungen waren zu hart und es gab zu viele Gerüche. Wissenschaftler mussten ein Gerät bauen, das auf dem alt-guten Geruchssinn von Säugetieren basiert.

Zhang wollte wirklich ein solches Stipendium bekommen. - , . , . « , DARPA, – ». , ? , , . « , !»

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Natürlich stellen sich wie bei jeder neuen Technologie Fragen nach ihrer Anwendung. Wie viele Informationen über Ihre Körpergerüche werden Sie kontrollieren? Werden Unternehmen es nicht handeln, indem sie es an Krankenhäuser, Versicherer, Partnervermittlungen übertragen? Werden Männer Nano-Nos verwenden, um den Eisprung bei Mädchen zu kontrollieren, werden Frauen ihn einschalten, um diejenigen zu sehen, die drei Tage lang nicht gewaschen haben? Werden die Leute die Passagiere schnüffeln, die neben ihnen im Bus sitzen? Wird es nicht die Norm sein, einem Partner zu erlauben, sich bei Anzeichen einer Krankheit (insbesondere sexuell übertragbarer Infektionen) zu „schnüffeln“, wenn er sich wieder trifft?

Andrei Mershin macht sich darüber keine Sorgen. Stattdessen hat er, der ständig nach neuen Erfahrungen hungert, mehr Angst vor der Welt, in der Geräte speziell für Sie Aromen entwickeln und senden. „Ich unterstütze jede Technologie, die dich schnüffelt. Aber ich würde sehr vorsichtig mit diesen Technologien sein, bei denen Sie daran riechen sollen. “ „Lassen Sie die Geräte nicht anfangen, Ihren Kopf mit Aromen zu verstopfen. Eine sehr schlechte Idee. “ Mit anderen Worten, lassen Sie das Smartphone Ihr Hund sein und Sie - sein Besitzer. Und nicht umgekehrt.

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