Исследователи из Корнеллского университета и Intel разработали уникальный нейроморфный чип Intel Loihi, способный имитировать обоняние, подражая алгоритмам обонятельной системы человеческого мозга.

Обоняние – один из наиболее изученных механизмов восприятия окружающего мира. Когда рецепторы улавливают молекулы пахучих веществ, они передают импульс в соответствующий кластер нейронов в мозгу, известный как обонятельная луковица. Этот обонятельный анализатор доставляет обработанные сигналы в гипоталамус, лимбическую систему, ретикулярную формацию и неокортекс. Каждый из перечисленных отделов участвует в формировании восприятия запаха и реакции на него. Обоняние в общепринятом понимании свойственно только млекопитающим, однако отдельные элементы обонятельных нейронных структур имеются и у представителей других классов.

Чёткое понимание эволюции обонятельных механизмов и их относительная простота натолкнули учёных на идею использования природных алгоритмов для создания нейроморфного чипа. Нейроморфные чипы – это инновационный тип процессоров, архитектура которых представляет собой подражание структурам головного мозга. Грубо говоря, исследователи из Корнеллского университета и Intel разместили на кремниевой подложке цепи транзисторов, которые эмулируют работу нейронов системы человеческого обоняния. Кремниевый «мозг» Intel Loihi состоит из миллионов «нейронов», которые слагают искусственную нейронную сеть.

Затем исследователи разработали алгоритм, который отражает поведение сигналов, передающих информацию от рецепторов к обонятельной луковице. Для обучения чипа они использовали базу из 10 «запахов», созданных на основе анализа данных с 72 химических сенсоров. Пока что Intel Loihi способен идентифицировать только сильные монотонные запахи, включая ацетон, аммиак, метан и т. п. При этом процесс обучения занял ощутимо меньше времени, чем у чипов с традиционной архитектурой.

Традиционной принято называть архитектуру фон Неймана – принцип хранения и обработки команд и данных в памяти компьютера, который оставался ведущим движителем компьютерной эволюции на протяжении десятилетий. Слабым звеном подобной архитектуры является ограничение пропускной способности между процессором и памятью, которое заметно снижает эффективность обучаемости – особенно при необходимости обработки массивных объёмов данных для тренировки алгоритмов искусственного интеллекта.

Развитие имитирующего обоняние чипа Intel Loihi находится на относительно ранней стадии. По мере совершенствования прототипа учёные надеются найти ему применение в робототехнике. В частности, наиболее амбициозным способом использования подобных устройств станут сферы, в которых необходимо ограничить взаимодействие людей с потенциально опасными предметами или веществами, например, для обнаружения взрывчатых веществ в местах массового скопления людей или для регистрации содержания химических загрязнителей на производствах. Кроме того, обонятельные способности нейроморфного чипа Intel Loihi можно использовать в системах для сортирования продуктов по запаху, а также для слежения за состоянием окружающей среды.

Rapid online learning and robust recall in a neuromorphic olfactory circuit