Andrei Mershin ainda está bravo com cães. "Bem, na verdade, eu os amo", diz um cientista grego-russo em seu confortável escritório no Instituto de Massachusetts (MIT). "Mas eles apenas me fazem."
Ele inclui um vídeo para mostrar do que está falando. Nele, um spaniel preto e branco chamado Lucy chega a seis copos com urina humana. O cachorro fareja-os, às vezes - brevemente, às vezes - um pouco mais, obviamente tentando descobrir alguma coisa. Na verdade, ela faz um diagnóstico. Procura por odor de controle indicativo de câncer de próstata. Acontece que esse câncer dá uma nota característica à urina masculina. Bastante perceptível - pelo menos para o cachorro. Quando Lucy encontra um copo de um paciente com câncer, ela se senta à sua frente e recebe um tratamento de seus treinadores.
Entre as pessoas - que voaram para a lua, receberam uma foto de um buraco negro e criaram carros com pilotos automáticos - a definição de câncer de próstata ainda é considerada uma tarefa muito difícil. Basicamente, a humanidade está tentando testar o sangue do paciente para níveis elevados de proteínas específicas (PSA). Mas o sucesso desta lição é extremamente duvidoso. O cientista que descobriu o PSA considerou o teste "um pouco mais bem-sucedido do que jogar uma moeda". Um falso positivo pode levar a uma biópsia da próstata, um procedimento extremamente desagradável no qual uma cânula grande é inserida através da parede do reto para extrair amostras de tecido.
Por outro lado, cães adequadamente treinados podem detectar o câncer de próstata com uma precisão de mais de 90%, e para eles isso não é um problema. Lucy lida com seis amostras em menos de dois minutos. Andrei Mershin não pode aceitar isso:
Temos mais de US $ 100 milhões em equipamentos no fundo, e o cachorro me derrota? Isso me irrita.
Mershin não é médico. Ele é físico treinando. Ele dirige o laboratório Label Free Research Group, apagando as fronteiras entre física, biologia e ciência da computação. O escritório de Mershin tem um par de óculos que podem medir ondas cerebrais, revistas de aviação, livros de urologia e livros de codificação Python. Ele se recusa a usar as mesmas meias e fala muito rapidamente com um sotaque russo, mudando constantemente de tema. Ele é baixo e rechonchudo, com um grande choque de cabelos brancos, que de vez em quando saltam quando ele está animado com alguma coisa.
O laboratório de Mershin, com seus equipamentos de US $ 100 milhões, está localizado alguns andares abaixo do escritório do MIT. Em uma sala, os pesquisadores estão tentando inventar novas cores. Em outro, criar os materiais mais leves e duráveis do planeta. Mas seu projeto mais intrigante é o desenvolvimento de AO (em vez de AI) - cheiro artificial. Simplificando, eles estão tentando ensinar os robôs a cheirar.
O mundo já está cheio de máquinas que podem ver, falar e até (primitivamente) pensar. Mas tente encontrar um que cheira. O problema é que o olfato ainda é subestimado pelas próprias pessoas. A maioria das criaturas do nosso planeta é guiada de várias maneiras pelo cheiro, mas não somos uma dessas criaturas. Immanuel Kant, por exemplo, disse que o cheiro é "o mais inútil" dos nossos cinco sentidos básicos. Em uma pesquisa de 2011, 53% das pessoas de 16 a 22 anos disseram preferir abandonar o olfato do que um smartphone ou computador.
Mas nos últimos anos, tornou-se cada vez mais aparente que o cheiro, se você tem um nariz adequado para sua percepção, pode ser uma superpotência real. Por milhares de anos, as pessoas usam cães para caçar animais e depois encontrar drogas e bombas. E foi apenas no início dos anos 2000 que começamos a adivinhar que, na realidade, poderia haver muito mais aplicações para um bom nariz. Tudo começou quando os pesquisadores subitamente perceberam que nossos animais de estimação podiam sentir o cheiro dos primeiros sinais de melanoma. Há notícias suficientes nas notícias sobre como esse ou aquele cachorro salvou sua amante começando a lamentar e cutucar seu peito. Uma das colegas de pesquisa de Mershin, Claire Guest, foi salva quando, em 2009, seu cachorro Daisy de repente começou a constantemente enfiar o nariz sob o peito, e Claire decidiu consultar o médico por precaução.
No final, descobriu-se que existem 10 tipos de câncer com um cheiro particularmente forte. Os mais notáveis são câncer de mama, pulmão, ovário, próstata e cólon. Acontece também que os cães, pelo olfato, determinam a hora do dia, o movimento do ar na sala. Eles podem sentir a abordagem de um episódio diabético em poucas horas, entender o estado emocional de uma pessoa sem nenhuma pista visual. E não apenas cães, gatos e outros animais também possuem essas "habilidades supernormais". E graças a uma enfermeira escocesa com o nariz muito bombeado, os cientistas descobriram recentemente que as pessoas com doença de Parkinson começam a emitir um característico "cheiro amadeirado e almiscarado" - anos antes dos primeiros sintomas se manifestarem.
No final, tudo isso é obtido não tanto sobre os cães quanto sobre o mundo ao nosso redor. O mundo que ainda conhecemos tão pouco. Eventos e doenças e até estados mentais acabam deixando uma marca característica no ar. O que só precisa aprender a distinguir. Acontece que o cheiro geralmente é a melhor maneira de encontrar e distinguir certas coisas. E o próximo método, por sua vez, é muito caro (cromatografia / espectrometria), doloroso (biópsia) ou quase irrealista (ler pensamentos).
Imagine um carro (sensores + AI) capaz de capturar e detectar aromas muitas vezes melhor do que um cachorro. No mínimo, todo hospital vai querer isso. Toda empresa de perfumes. Idealmente, se os preços caírem - todas as pessoas com mais de 45 anos correm risco de sofrer uma série de doenças. E ainda mais, com o desenvolvimento da tecnologia, quem sabe, talvez até aprendamos a identificar um estuprador sexual ou uma pessoa que decidiu matar pelo cheiro na multidão.
Infelizmente, não desenvolvemos robôs capazes de cheirar, porque o olfato continua sendo um grande mistério biológico. Os cientistas ainda estão tentando entender como sentimos todos esses compostos voláteis, como separamos uma molécula de outra e como nosso cérebro é capaz de classificar todas essas informações tão rapidamente. "Há mais perguntas do que respostas nessa área", reclama Hiroaki Matsunami, pesquisador da Duke University.
Andrei Mershin, no entanto, acredita que não precisamos de uma compreensão profunda de como os mamíferos cheiram, para construir um nariz artificial. Ele coloca o fato de que tudo será exatamente o oposto. Para entender como o nariz funciona, primeiro precisamos criá-lo! Com seu brilhante professor, Shuguan Zhang, Andrei Mershin desenvolveu um dispositivo que até seus principais rivais, cães, podem aprender.
Teoria do odor
Em maio de 1914, Alexander Graham Bell voltou-se para os graduados de uma escola em Washington. O inventor de 67 anos do telefone era uma pessoa bastante incomum, e seu desempenho também era diferente da "idade adulta de despedida" padrão. Em vez disso, ele deu aos alunos uma série de perguntas, sugerindo áreas de pesquisa que poderiam dar frutos se um dos jovens encarasse seriamente essa questão. Uma de suas perguntas foi "Posso cheirar?":
O que é aroma? É a emissão de partículas físicas no ar, ou é uma forma de vibração, como som? Se for radiação, você poderá pesá-la e se for vibração, tente refleti-la pelo espelho. Se você tem a ambição de descobrir um novo campo da ciência, tente medir o odor.
Mais de um século se passou, mas ninguém resolveu esse enigma de Bell. E ainda há debate se o cheiro é uma vibração ou uma reação química entre partículas. (A teoria da vibração é muito mais controversa, mas ninguém entende tão bem o olfato que pode ser completamente eliminado). De fato, apenas recentemente, em 1991, os cientistas puderam estudar os fatores genéticos e fisiológicos básicos da percepção de odores em mamíferos.
Então os biólogos Linda Buck e Richard Axel publicaram seu trabalho em 1000 genes que são responsáveis por cerca de mil receptores olfativos em camundongos. Todos eles estão localizados no epitélio no topo da cavidade nasal, exatamente no local onde o crânio começa. Quando respiramos fundo, as moléculas passam por esses receptores e os excitados enviam um sinal para o nosso cérebro. Mas mesmo isso, disseram os cientistas, mostra apenas como começa a percepção de (alguns) cheiros. E como a interação com os receptores ocorre também não é totalmente clara.
Além disso, o número de receptores que eles descobriram criou um problema matemático. Os seres humanos têm cerca de 400 desses receptores olfativos, 2,5 vezes menos que os ratos. Mas podemos cheirar cerca de 10.000 cheiros diferentes. Como é isso?
Buck e Axel apresentam a teoria de que o cheiro é uma questão de combinação. Cada receptor é responsável apenas pela captura de certas moléculas, e sentimos um odor característico quando vários receptores diferentes "ligam" ao mesmo tempo. O pesquisador John Kayer compara essa teoria com o piano:
O piano tem apenas 88 teclas. Se cada tecla for responsável por um cheiro, você poderá sentir apenas 88 cheiros diferentes. Obviamente não é esse o caso. Mas se os cheiros são como acordes, a matemática começa a tomar forma.
Buck e Axel receberam o Prêmio Nobel em 2004 por seu trabalho. Agora, Mershin e outros cientistas estão seguindo seus passos: eles adotaram o postulado de que o cheiro é apenas uma lista de moléculas que a pele do nariz registra e passa para o cérebro. Se você quiser entender o cheiro do alho, basta desmontar seus componentes químicos. E em algum lugar dessas moléculas, em seu conjunto específico, a história desse cheiro é explicada.
Imersão no mundo dos aromas. Primeiro odômetro
Pouco tempo se passou após a publicação de Axel e Buck, pois começou um trabalho sério sobre a criação de um nariz artificial. A DARPA , responsável pelo desenvolvimento de novas tecnologias para o Exército dos EUA, alocou US $ 25 milhões ao projeto em 1997. Eles queriam substituir cães em questões de busca de minas. O programa foi chamado de “Nariz de Cachorro”. A agência financiou equipes de cientistas em todo o país para construir máquinas de cheirar e levá-las ao campo no Missouri para testes. A terra estava pontilhada com todos os tipos possíveis de minas, desde pequenos dispositivos de fragmentação destinados a derrotar uma pessoa até pesadas unidades projetadas para minar um tanque.
Pisar nas minas, é claro, era seguro, elas foram neutralizadas. Mas, no entanto, uma carga permaneceu neles (afinal, eles deveriam ter sido encontrados pelo cheiro) e, portanto, poderiam ser explodidos - digamos, se um raio os atingisse. John Kayer, que foi um dos participantes desse programa, disse que eles tiveram que evacuar assim que viram sinais de uma tempestade que se aproximava.
Para o teste, Kayer construiu um dispositivo cinza do tamanho de uma caixa de sapatos. Ele o chamou de ScenTrak (agora sua versão atualizada, a propósito, é vendida on-line). Não havia receptores reais nele. Em vez disso, estava cheio de longas cadeias de moléculas (polímeros) que Kayer sabia que reagiriam ao DNT, a molécula que ocorre na maioria das minas. Se houvesse explosivo perto do ScenTrak, o DNT era anexado aos polímeros e eles enviavam um sinal. A caixa começou a gritar "Mina!".
Bem, foi assim que funcionou em condições ideais. No laboratório, a máquina sentiu perfeitamente o "cheiro" da molécula DNT. Mas no campo, com ar fresco, vento e poeira, o dispositivo estava com defeito. Os polímeros reagiram a tudo - DNT, clima, plantas, alguns tipos de solo.
ScentrackOutros dispositivos que participavam da competição (um chamado Fido, o outro Cyranose) trabalhavam com o mesmo princípio. Todos eles usavam polímeros sensíveis a certas substâncias. E todos eles tinham sérias limitações, eles trabalhavam apenas sob condições estritamente definidas. (O mais bem sucedido, a propósito, foi o Fido , que agora é usado nos postos de controle para detectar explosivos a curta distância).
Tudo isso, no entanto, dificilmente poderia ser chamado de sentido do olfato - assim como não se pode dizer que o detector de monóxido de carbono, que inclui um alarme, "cheira a fumaça". Além disso, por algum motivo, todos esses sensores funcionam muito mal em um ambiente com muitos cheiros, constantemente emitindo sinais positivos falsos, mesmo se não houver explosivos por perto.
Agora, os cientistas pensam que o motivo está na teoria muito primitiva sobre a qual esses dispositivos foram construídos. A idéia desde o início dos anos 90 sobre moléculas e receptores calculados para eles é, de fato, apenas a ponta do iceberg. Acontece que às vezes moléculas com uma forma idêntica têm um cheiro completamente diferente. E, às vezes, substâncias cujas moléculas não se parecem com nada têm o mesmo cheiro para nós. Em outras palavras, a forma e a composição das moléculas nem sempre determinam o aroma.
Agora a teoria foi complementada, tornada ainda mais difícil (e ainda não é bem compreendida). Em resumo, cada receptor “ ama ” mais determinadas moléculas, mas é capaz de capturar quase tudo. Novas combinações de moléculas reunidas estão constantemente se formando em nosso nariz, e essa combinação de dados de todos os nossos receptores determina como cheiramos. O piano não possui apenas 88 teclas com acordes, também possui pedais e alto-falantes. Dr. Zhang diz:
Você pode acertar cada uma das teclas do acorde com diferentes forças. Fracamente, você obtém um som, mais poderoso - outro.
Em geral, a teoria do olfato era tão complexa que até as pessoas têm pouco desejo de adotá-la. Ainda é possível determinar uma molécula, mas sentir um conjunto específico delas, e mesmo com a intensidade desejada, e mesmo que essa intensidade deva ser diferente para cada molécula ... Brr. Não obrigado
Dr. Zhang
Mershin e Zhang são um casal estranho, mas harmonioso. Mershin raramente segue o mesmo caminho duas vezes. Quando nos perdemos no caminho do refeitório do MIT para o escritório, ele admitiu que isso acontecia com ele regularmente. Além disso, ele está perdido "em pensamentos também, não apenas geograficamente, mas também intelectualmente". Em suas próprias palavras, ele é disléxico, sinestésico, daltônico para o rosa e o cinza, ele não se lembra do rosto, ele tem um distúrbio de déficit de atenção. Às vezes ele esquece o endereço de sua casa. Ele também é vorazmente curioso e ansiosamente atraído por qualquer novo conhecimento.
Certa vez, para entender o significado dos aromas, ele desenvolveu um jogo para seus filhos, no qual eles tinham que embeber uma bola de algodão com perfumes, vendar-se e depois tentar encontrá-la. Além de cheiros, ele agora está ocupado construindo casas na Namíbia a partir de cogumelos e maneiras de remover metais pesados da água. "Eu não posso fazer uma coisa. Mas gosto de trabalhar com pessoas muito focadas em seus objetivos e que aprenderam a fazer algo específico melhor do que qualquer outra pessoa no mundo. ”
Zhang é exatamente essa pessoa. Se Mershin está constantemente movimentado, Zhang está sempre calmo e concentrado. Ele acredita que, para conseguir algo, é preciso aprofundar-se em um projeto, uma pergunta. Ele estuda o olfato desde 2003, tentando entender os receptores e seu trabalho. Décadas se passaram desde a publicação de Buck e Axel, mas até agora ninguém foi capaz de olhá-las - sob um microscópio ou por cristalografia de raios-X. Essa é uma das razões pelas quais o olfato permanece um mistério. Não podemos ver no nível mais primitivo o que exatamente esses receptores fazem. Eles ligam moléculas a si mesmos? Como Fatores como umidade do ar ou outras substâncias afetam seu trabalho? Ninguem sabe.
Zhang passou muitos anos desenvolvendo um método para ver o receptor. Pelo que ele sabe, essas são proteínas de membrana com uma estrutura muito complexa. Cada um deles é como um longo fio enrolado e passando através de uma membrana que separa a célula do mundo exterior. Se esse padrão complexo mudar um pouco, o receptor não funcionará. Mesmo se você inclinar ou inverter uma proteína receptora, ela se recusará a cumprir sua função.
Cerca de metade do receptor está fora da célula, pronta para aceitar novas moléculas. Quando ele se apega a isso, muda de forma e a célula envia um sinal para o cérebro.
Para entender alguns desses fatos e descobrir a estrutura exata do receptor, Zhang trabalhou desde 2003. Mas até agora ele não viu um com seus próprios olhos: eles reagem negativamente demais a qualquer ambiente externo. E eles são muito pequenos.
Mas o trabalho de Shuguang Zhang não foi em vão. Quando a DARPA lançou um novo projeto em 2007, o RealNose, para procurar o cheiro de explosivos improvisados no Iraque e no Afeganistão. Desta vez, polímeros e outras drogas artificiais que imitam o trabalho dos receptores não eram bons. As condições eram muito severas e havia muitos odores. Os cientistas tiveram que construir um dispositivo baseado no velho e bom senso de cheiro dos mamíferos.
Zhang realmente queria obter uma concessão desse tipo. Seu laboratório era um dos literalmente dois ou três no mundo lidando com esse problema. Mas Mershin não queria ser restringido. "Por muitos meses eu me rebelei, disse a eles na DARPA que o uso de receptores reais é um requisito estúpido." Por que uma estrutura biológica era necessária se era muito mais fácil trabalhar com estruturas artificiais? Pelo menos eles não pararam de funcionar se estivessem inclinados ou virados. "Queremos voar como pássaros, mas não construímos asas de penas e fuselagens!"
Mas o montante da subvenção militar era muito sério, e Andrei teve que aturar.
Corrida com DARPA
Mershin e Zhang decidiram que tentariam cultivar receptores reais em seu laboratório e depois, de fato, espalhá-los em uma placa de circuito impresso. Eles pensaram, estatisticamente, que, se tivessem receptores suficientes, alguns deles sobreviveriam e com orientação na direção certa. Então eles desenhavam corrente através do quadro. Quando os receptores respondiam a compostos voláteis, eles mudavam de forma, como em um nariz normal. Haveria um aumento.
Este protótipo ainda está no laboratório da Mershin: uma garrafa de plástico com dois bicos de metal retidos por resina epóxi. A partir daí, há fios conectados a um pequeno chip. Obviamente, uma substância com cheiro foi derramada na garrafa e isso deve afetar de alguma forma a corrente.
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Andrei Mershin não está preocupado com isso. Em vez disso, ele, constantemente sedento por novas experiências, fica mais assustado com o mundo em que os dispositivos se desenvolvem e enviam aromas especialmente para você. “Eu apoio qualquer tecnologia que cheire você. Mas eu teria muito cuidado com essas tecnologias que querem que você as cheire. ” “Não deixe os dispositivos entupir sua cabeça com aromas. Uma péssima ideia. Em outras palavras, deixe o smartphone ser seu cachorro e você - seu dono. E não o contrário.
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