أنف اصطناعي يهدد وظائف البشر والكلاب البوليسية

أخيرا تمكن باحثون من تحقيق اختراق كبير في محاكاة حاسة الشم لدى الإنسان وفك شيفراتها المعقدة، بعد أن باءت العشرات من المحاولات السابقة بالفشل، بسبب القدرات الهائلة التي تتمتع بها هذه الحاسة لدى البشر، ناهيك عن الحيوانات الأخرى مثل الكلاب، التي يستخدمها الإنسان للكشف عن المواد المحظورة.

فقد استطاع باحثون من مختبرات “إنتل لابز” وجامعة كورنيل في نيويورك من ابتكار شريحة عصبية بمقدورها التعرّف على روائح عشر مواد كيميائية بمستوى عال من الكفاءة.

ورغم أنها خطوة أولية ستتبعها حتما تطورات أكبر، إلا أن الآلة والروبوتات يمكن أن تنتزع من خلالها الكثير من الوظائف المتعلقة بتلك الروائح وسوف تتمكن من التفوق على البشر في تلك المهام المحددة دون الحاجة إلى القدرات الواسعة والمعقدة للأنف البشري.

من الأدوار التي يمكن أن تنتزعها الروبوتات مستقبلا من خلال ذلك الأنف الإلكتروني، وظائف التفتيش عن الأسلحة والمتفجرات والمخدرات واختبار جودة الهواء ووظائف السلامة والتطبيقات الصناعية، إضافة إلى فتح الأبواب لدور أوسع في تشخيص الحالات المرضية.

قد تتصدّر العين والأذن قائمة الحواس، لكن العلماء يقولون إن قدرات الأنف تتفوّق في خارطة التمييز بين عدد هائل من المثيرات الحسية المختلفة، ممّا يتيح للبشر القدرة على التعرف على تريليون رائحة مختلفة.

رقاقة عصبية خارقة

ورغم تمكّن العلماء من تطوير روبوتات تستطيع محاكاة معظم الحواس البشرية، حيث يمكن القول إنها متفوقة على البشر في النظر والسمع وتحرز تقدما متسارعا في حاسة اللمس، إلا أن تطوير أجهزة إلكترونية تمتلك القدرات المذهلة للأنف الطبيعي، كانت أمرا أشبه بالخيال.

 وحدث التحول الكبير حين تمكّن باحثون من شركة إنتل للتكنولوجيا وجامعة كورنيل من قطع تسجيل اختراق هائل، بابتكار رقاقة إلكترونية عصبية بحثية أطلق عليها اسم “لويهي” وهي تتمتع بقدرات فريدة على التعلم والتعرّف على روائح مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية الخطرة.

وتؤكد شركة إنتل أن رقاقة “لويهي” هذه تحتوي على أكثر من ملياري ترانزستور و130 ألف خلية عصبية اصطناعية وهي أسرع ألف مرة وأكثر كفاءة بعشرة آلاف مرة من المعالجات التقليدية.

100 في المئة نسبة نجاح رقاقة لويهي في اكتشاف 8 روائح رغم خلطها بروائح لم تدرب على اكتشافها

وحسب ما أفاد الباحثون مؤخرا في دورية “نيتشر ماشين إنتليجنس” فإن الذكاء الاصطناعي الجديد يتعلّم التعرّف على الروائح من عينة اختبار واحدة فقط وبشكل أكثر كفاءة وموثوقية مقارنة بأيّ نظام تقليدي للتعرّف، بما في ذلك نظام التعلم العميق، الذي يتطلب حوالي 3000 اختبار لعينات التدريب للوصول إلى نفس المستوى من الدقة والكفاءة.  ويمكن لهذا النظام التعلم والتعرف على كل مادة كيميائية على أساس رائحتها من دون تعطيل الذاكرة للروائح التي تمّ تعلمها مسبقا.

ومفتاح نجاح البرنامج وفقا لمطوّريه يكمن في هيكله العصبي الذي يشبه إلى حد كبير الدوائر العصبية في أدمغة الثدييات، حيث يعمل بنفس المبادئ الحسابية لتحليل الرائحة مثل العقول البيولوجية في البشر والحيوانات.

وقال نبيل إمام كبير الباحثين في مختبرات “إنتل لابز” والحاصل على الدكتوراه في الحوسبة العصبية “نعمل على تطوير خوارزميات عصبية في رقاقة “لويهي” تحاكي ما يحدث في دماغك عندما تشمّ رائحة شيء ما”.

وقام إمام مع توماس كليلاند من جامعة كورنيل في نيويورك بإنشاء منظومة ذكاء اصطناعي قائمة على البصلة الشمية في الثدييات، وهي بنية عصبية في الدماغ الأمامي، معنية بمعالجة وإدراك الروائح. وتحاكي الخوارزمية التي تمّ تطويرها جزءا من هذه المنطقة وتميز بين الروائح المختلفة، التي عادة ما تكون موجودة كمزيج من المركبات في الهواء.

وتحتوي البصلة الشميّة على نوعين رئيسيين من الخلايا العصبية، الخلايا التاجية التي تنشط عند وجود الرائحة لكنها لا تحددها، والخلايا الحبيبية التي تتعلم كيف تصبح متخصصة وتلتقط المواد الكيميائية في الرائحة.

محاكاة الدماغ

يقول نبيل إمام إن فريق البحث “يدرس نظام حاسة الشم البيولوجية في الحيوانات ويقيس النشاط الكهربائي في أدمغتها عند شم الروائح، وبناء على مخططات الدوائر والنبضات الكهربائية طورنا مجموعة من الخوارزميات وقمنا بتكوينها على السيليكون العصبي”. وتعد حاسة الشم من أعقد الحواس لدى البشر، فعندما يشمّ الشخص فاكهة على سبيل المثال، تحفّز جزيئات الفاكهة الخلايا الشمية في الأنف والتي ترسل بدورها إشارات إلى نظام حاسة الشم في الدماغ، حيث تولد النبضات الكهربائية داخل مجموعة مترابطة من الخلايا العصبية إحساسا فريدا بتلك الرائحة.

 وتمكّن الباحثون من إعادة بناء العملية برمتها في شريحة “لويهي” باستعمال 72 مجسا كيميائيا. حيث تم نقل استجابات المجسّات للروائح الفردية إلى الشريحة حيث تقوم دوائر السيليكون بمحاكاة دوائر الدماغ الكامنة وراء حاسة الشم.

وتمكّن الذكاء الاصطناعي من التعلم بسرعة وأظهر في نهاية المطاف طفرات نشاط خاص بكل رائحة من الروائح العشر التي تم تدريبه عليها، ومنها الأسيتون والأمونيا والميثان وأول أكسيد الكربون.

ثم قام الباحثون باختبار قدرة الذكاء الاصطناعي على “شم” الروائح من بين روائح أخرى لم يتم تدريبه على اكتشافها. وتمكن من تسجيل نجاح بنسبة 100 في المئة تقريبا لثماني روائح و90 بالمئة للباقيتين.

وتستخدم كاشفات الدخان وأول أكسيد الكربون في المباني والمنازل أجهزة استشعار لاكتشاف الروائح والجزيئات الضارة في الهواء، لكنها لا تستطيع التمييز بينها، وغير قادرة على تصنيفها بطرق ذكية.

ويقول إمام إن مجتمع الاستشعار الكيميائي ظل يبحث لسنوات عن أنظمة معالجة حسية كيميائية ذكية وموثوقة وسريعة الاستجابة، والتي يطلق عليها “أنظمة الأنف الإلكترونية”.

أكد إمام أن هذا التطور التكنولوجي يفتح الباب أمام إمكانية تطوير روبوتات مجهزة برقائق عصبية للمراقبة البيئية والكشف عن المواد الخطرة أو لأعمال مراقبة الجودة في المصانع. كما يمكن استخدامها في التشخيص الطبّي حيث تنبعث من بعض الأمراض روائح معينة.

وأشار إلى أمثلة أخرى مثل تطوير روبوتات مزوّدة بتلك الرقائق العصبية، لتحديد المواد الخطرة بشكل أفضل في خطوط أمن المطارات ومراكز التفتيش.

وفيما يخصّ مستقبل هذه التكنولوجيا يقول إمام إن خطوته التالية هي إضافة المزيد من الحواس وتعميم هذا النهج على نطاق أوسع من المشاكل ليشمل تحليل المشهد الحسي والقضايا المجردة مثل التخطيط واتخاذ القرار.

وأكد أن فهم كيفية حلّ الدوائر العصبية للدماغ لتلك المشاكل الحسابية المعقدة سوف يوفر وسائل مبتكرة لتصميم ذكاء اصطناعي فعال وقوي.

ومن بين التحديات في حاسة الشم التي يسعى الفريق للتغلب عليها، يقول إمام “عندما تمشي في البقالة قد تشم رائحة الفراولة ولكن قد تكون رائحتها مشابهة لرائحة التوت أو الموز والتي تثير أنماط نشاط عصبي متشابهة في الدماغ. وفي بعض الأحيان يكون من الصعب على البشر التمييز بين فاكهة واحدة من مزيج من الروائح. وهي تحديات يأمل الفريق حلها خلال العامين المقبلين”.

وأشاد الخبراء بهذا الإنجاز واعتبروه تقدما كبيرا قد يساعد على تعزيز حاسة الشم الاصطناعي ومساعدته على مواكبة الحواس الأخرى التي تمّ دعمها أو محاكاتها بالذكاء الاصطناعي.

ويقول الباحثون إن حاسة الشمّ لعبت دورا حاسما في تطور الإنسان على مدى الآلاف من السنين، حيث ساعدته في العصر الحجري في الصيد وتفادي المأكولات السامة، وما زالت تلعب دورا هاما في قدرة الإنسان على مواجهة التحديات.

سباق الشركات الكبرى

لا تقتصر بحوث تطوير الأنوف الذكية على جهود إنتل وجامعة كورنيل، حيث تحاول شركات أخرى مثل آي.بي.أم تطوير قدرات الروبوتات في تمييز الروائح باستخدام تكنولوجيا يمكن أن تشمّ تسرب الغاز وحتى توليد روائح العطور.

كما يعمل فريق “غوغل برين” بالتعاون مع الشركات المصنعة للعطور على تدريب الذكاء الاصطناعي على الشم من خلال تحليل الهياكل الجزيئية.

ويحاول باحثون في روسيا تطوير ذكاء اصطناعي يستطيع تحديد مخاليط الغاز القاتلة وكذلك إعادة إنتاج روائح الأنواع المنقرضة من الزهور من خلال التعلم الآلي.

ويبدو من المؤكد اليوم أنه مع تطور وانتشار تكنولوجيا “الأنوف الذكية” سيكون بالإمكان الاعتماد عليها لإدارة العديد من التحديات بما في ذلك تنبيهنا للجزيئات السامة في الهواء وتسرب الغازات تماما مثلما تفعل أضواء التحذير في السيارة عند حدوث أيّ مشكلة.

ومن غير المستبعد أيضا استخدام هذه التكنولوجيا في مساعدة الأشخاص الذين فقدوا حاسة الشم على الإحساس بالروائح مرة أخرى.