嗅覺反饋系統(tǒng)可用于刺激人類情感、提高警覺性、提供臨床治療，以及建立沉浸式的虛擬環(huán)境。然而，現(xiàn)有的嗅覺反饋技術(shù)仍面臨諸多嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，包括用戶感知延遲、系統(tǒng)笨重以及氣味源有限等問題。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，香港城市大學(xué)、中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院、北京航空航天大學(xué)和東京大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合提出一種用于解決上述問題的通用策略，即基于微型氣味發(fā)生器（OG）和先進(jìn)人工智能（AI）算法的可穿戴、高性能嗅覺接口。該嗅覺接口表現(xiàn)出前所未有的高響應(yīng)速度（0.07 s）、高OG陣列密度（0.75 unit/cm2）和無延遲特性，未來有望在人機(jī)交互、醫(yī)療、遠(yuǎn)程教育和娛樂等領(lǐng)域展現(xiàn)巨大的應(yīng)用潛力。相關(guān)研究成果以“Intelligent wearable olfactory interface for latency-free mixed reality and fast olfactory enhancement”為題發(fā)表在Nature Communications期刊上。

圖1 本研究提出的嗅覺接口概念

這項(xiàng)研究工作介紹了一系列用于人工智能驅(qū)動(dòng)的無線嗅覺接口的材料、算法、器件、機(jī)械、電子和集成策略。嗅覺接口陣列中的微型OG工作原理是利用氣流和熱量來產(chǎn)生氣味，通過機(jī)械致動(dòng)器打開或關(guān)閉OG上的呼吸孔來控制氣味釋放，同時(shí)通過調(diào)節(jié)加熱溫度來控制氣味濃度。研究人員對(duì)OG的呼吸孔模式、內(nèi)部加熱溫度，以及電磁線圈輸入功率、頻率、振幅和占空比進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，優(yōu)化后的參數(shù)使OG表現(xiàn)出超快的響應(yīng)時(shí)間、精確的氣味生成控制和低功耗性能。

圖2 優(yōu)化后的OG展現(xiàn)出優(yōu)異電氣性能

在自主研發(fā)的人工智能算法支持下，基于OG的嗅覺接口可用于混合現(xiàn)實(shí)，實(shí)現(xiàn)無延遲應(yīng)用。該無延遲嗅覺系統(tǒng)不僅能夠提供零延遲的嗅覺反饋，還可以通過在人工智能算法中設(shè)置延遲時(shí)間，實(shí)現(xiàn)可控的嗅覺反饋延遲，從而在虛擬環(huán)境中模擬真實(shí)的人類嗅覺感知。在實(shí)際應(yīng)用中，這將能夠?yàn)樾嵊X退化患者提供高效的嗅覺訓(xùn)練。

該嗅覺接口支持32種常見氣味類型，包括水果、香料、飲料、面包、草藥等。除了集成OG的實(shí)體模型外，研究人員還自主開發(fā)了基于柔性印刷電路板（FPCB）的柔性控制面板，用于對(duì)OG進(jìn)行無線操作，實(shí)現(xiàn)雙通道OG獨(dú)立操作。控制面板的柔性設(shè)計(jì)使其能夠良好貼合在人體皮膚上，適合長(zhǎng)期佩戴，用戶還可以在混合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中將其佩戴在項(xiàng)鏈和戒指模型中。

圖3 實(shí)現(xiàn)無延遲混合現(xiàn)實(shí)的智能嗅覺系統(tǒng)應(yīng)用演示

圖4 集成嗅覺接口的混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用演示

圖5 用于嗅覺訓(xùn)練的可穿戴32通道OG陣列嗅覺接口的應(yīng)用演示

圖6 人工智能驅(qū)動(dòng)的嗅覺接口在嗅覺增強(qiáng)中的典型應(yīng)用

綜上所述，這項(xiàng)研究開發(fā)了一系列基于高性能OG的人工智能驅(qū)動(dòng)可穿戴嗅覺接口，用于實(shí)現(xiàn)無延遲的混合現(xiàn)實(shí)和快速的嗅覺恢復(fù)應(yīng)用。通過與自主開發(fā)的人工智能算法相結(jié)合，該嗅覺接口系統(tǒng)可以為混合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用提供無延遲的嗅覺反饋，并為嗅覺訓(xùn)練用戶提供個(gè)性化的嗅覺增強(qiáng)策略。該研究為許多具有深遠(yuǎn)影響的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，包括基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)/混合現(xiàn)實(shí)（AR/VR/MR）的元宇宙、在線教育和臨床治療。未來，將嗅覺系統(tǒng)與生理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、心理學(xué)和材料科學(xué)相結(jié)合的研究將成為重要方向。

審核編輯：彭菁