如何模拟出气味,难点在哪里?

最近看到瑞典鲱鱼罐头这么出名想到一个问题:气味可以像颜色一样经过组合模拟出来吗,技术难点在哪里? 我们有可能把气味进行跨距离传输吗?(例如电话信号)
 
已邀请:
  严格地说,我是没有足够的水平回答这个问题的。既然joey邀请了,只好尽己所能地解释一下,希望大家能看明白,又不会产生误解。
  下面的内容仅为个人记得的东西,不保证一定完全正确,有谬误欢迎指出。
 
  要回答这个问题,首先需要了解色觉的形成:


  颜色视觉及色觉(color version),是一种复杂的物理心理现象,其产生有赖于视网膜、视觉传导通路和视皮层的共同作用。在视网膜,视锥细胞是色光感受细胞,它使得视网膜可分辨380~760nm之间的150种不同的颜色,通过视觉系统的作用最后在脑中形成不同的主观色觉印象。每种颜色都与一定波长的光线相对应,在可见光谱的范围内,波长只要有3~5nm的增减,就能被视觉系统分辨为不同的颜色。               ——《神经生物学》于龙川 主编


  关于色觉的形成,这里只提到较为简单的三原色假说:


  三原色学说由英国物理学家Young(1802)和德国生理学家Helmholtz(1851)提出。该学说认为:在视网膜上存在三种视锥细胞,分别含有对红、蓝、绿三种波长色光敏感的视色素,因此,当某一种色光作用于视网膜时,可兴奋对此色光敏感的视锥细胞,引起相应的颜色感受。
                                   ——《神经生物学》于龙川 主编


  可以结合着下图看看(画的丑请轻喷):
  
  看到这里,我们可以得知,视觉可以被模拟组合,是因为色光在视网膜上被转换成了以“红、蓝、绿”三种色光的强度编码的一个信号。那么,只要能够用同样强度的“红、蓝、绿”三种颜色作用于视网膜,就能模拟同样的状况。
 
  接着,我们来看看嗅觉系统:
  下面的部分内容来自英文维基百科,大概翻译了一下,可能不准确,大家看看就好。


在脊椎动物中,嗅觉感受器位于纤毛、嗅觉感觉神经元的突触以及人类呼吸道上皮。单个嗅觉感受器对一系列的气味分子都具有亲和力,而不只是只结合特异性的气味分子。反之,一种气味分子也可以对很多不同的嗅觉感受器有不同的亲和力。一旦有气味的物质与嗅觉感受器结合,感受器就会发生结构变化,并和嗅觉感受神经元内部的嗅觉型G蛋白结合,激活腺苷酸环化酶,将ATP转化为cAMP。cAMP激活环核苷酸门控离子通道,使钠离子和钙离子内流,激活嗅觉感受神经元,将兴奋传递至大脑。


  中间的一长段机理看不懂可以不管。
  我们可以看到,在气味被识别的过程中,起到和视色素相同的捕捉信号功能的是嗅觉感受器。


存在大量不同的嗅觉感受器,在哺乳动物中大约有1000种,其编码基因占了基因组的大约3%。人类大约有400个功能基因编码嗅觉感受器。


  要画个图的话,大概是这样的:
    这意味着,想要明白每一种气味分子激活了哪一种嗅觉感受器,导致了什么样的嗅觉,是一件工作量极大的事情。即便我们能明白每一种气味分子和每一种味道的对应关系,如果要人工模拟, 也需要同时产生可能多达400种浓度不同的气味,才能很好地模拟你闻过的这种味道。
  
  大概可以想象这有多难了吧?
 

路人蝙 - 品庶每生

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    这玩意其实已经有人在做了:
http://www.peopeo.mobi/en/kehu_gongye.html  
 
 
气味数字化体验设计的可行性研究》:

 
 
 
 
 

Joey - 论道已经切换域名为lundao.pub

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我们可爱的 asayahaku 同学已经讲的不错了。我再提炼一下。
 
要模拟一种信号(气味,图像,文字,声音,压力等),我们必须做到以下两点:
 
一,了解其构成的基础原理,否则我们无法实现无损编码
 
举例,我们想要学习英语,如果我们只学习了前25个字母,我们是无法知道还有一个叫zoo的单词的,我们描述的英语信号是不可能完整的。其他答案中提到的尝试性气味方案,大家也可以看到都只能生成部分,而不是随心所欲。而我们对声音的本质研究已经很透彻,因此可以使用软件和音箱生成任意的声音。气味的本质是化学元素对人体的感受器官的刺激,一方面产生气味的化学元素本身就是无穷的,另一方面感受器官的机理我们也并不完全清楚,因此无法实现无损编码。所谓无损编码就是完全的把信号进行数字化存储,精确的描述,可以完整的重现。
 
二,信号本身的基础元素必须可以用电能光能(或者其他基础性物质)进行完全表达。
 
为什么声音图像可以随意传播和生成?因为构成声音的基础元素是力的作用,我们可以在电能的支持下无限地生成震动,进而合成各种声音。对于图像,我们可以分解基为像素,进面分解为三原色,在电能的作用下进行重复的生成。而气味本身是需要特定的化学物质去刺激人体,这个化学物质本身是独特的,目前是无法立即通过电能光能进行等价表达。
 
欢迎各位指正。
 

kaffa - The Grail could not be taken beyond the Great Seal.

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如果要模拟气味,就需要辨别气味,心理学研究表明,人对气味的识别由约 1000 个感受器蛋白质完成。
 
气味是混合物化学分子,随着人的呼吸进入鼻腔上部的 500 万个感受器细胞群,感受器细胞像气味筛子一样,分别单独地识别气味,编码为气味信息电信号,再传递给大脑的嗅球,最后到达颞叶的初级嗅觉皮层,以及古记忆和情绪有关边缘系统。这点是不同于视觉的红绿蓝专门感觉细胞群的。
 
而人类嗅觉感受器的工作机制至今仍是个迷——我们无法通过模拟 1000 个感受器蛋白质的方法( 可能相对是 easy way )来对人可辨别的约 10000 种气味进行元识别。
 
模拟气味、远距离传输气味的实现步骤和打电话类似,分为三步:
  1. 编码:识别气味物质混合物分子,测量其成分,对成分进行编码,类似打电话时将语音转化为电信号;
  2. 传输:将气味信息编码传输到远端,类似将电信号传输到远端;
  3. 解码:在异地解码,按成分重新混合为原气味,类似在远端将电信号解码为语音;

 
其中的难点在于识别。至于步骤2和3,就好比《西部世界》中那架按乐谱弹奏乐曲的自奏钢琴的演奏过程,看起来神奇,但没什么玄机。
 
值得一提的是,我们已实现视觉的远程传输,因我们看到的视频其实是被简化为连续数字画面的信息,一个数字画面是多个像素,像素由三原色混合而成,因此只要逐个探测像素点,即可完成视频编码。
 
而气味基于化学物质,其信息更大,门捷列夫元素周期表上的 100 多种化学元素,可经过排列组合形成化学物质,这些化学物质再混合在一起,其可能性不比围棋的落子位置简单。对于围棋这种单一规则的游戏,近年才出现 AlphaGo 利用统计机器学习算法解决落子优势的判断。而用计算机解决化学物质的排列组合问题,即气味的识别,不可能比围棋简单。
 
一种气味会触发一系列的感受器(蛋白质),由嗅觉皮层来负责解释,一种气味好比一个英文单词,感受器蛋白质好比一组字母排列。前文说的 Easy Way,即研究嗅觉机制,解决如何构造感受器的问题,是将识别气味的复杂度降低到人可以接受范围的关键。

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