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研究背景
嗅觉作为人类进化过程中的一个古老而关键的生理系统，在我们与周围环境的互动中发挥着重要作用，包括但不限于探测环境中的潜在危险、塑造社交行为、平复负面情绪以及唤回埋藏的记忆。尽管嗅觉对人类生活有着巨大的影响，但目前已经开发出的嗅觉生成技术(也称为嗅觉界面)却屈指可数，其潜在应用领域包括人机交互、教育、娱乐和临床治疗等。与触觉反馈技术开发方面的大量研究工作相比，嗅觉生成技术近年来很少受到关注导致技术长期停滞不前。考虑到大型嗅觉发生器在整体尺寸、响应时间和功耗方面的天然缺陷，下一代嗅觉界面的发展趋势是采用小型化设计的可穿戴形式，以实现快速嗅觉反馈并生成局部气味环境。迄今为止，已开发的可穿戴嗅觉界面系统主要是基于气味发生器(OGs)阵列来提供多种气味，其工作原理从基于压电的雾化器到气味蜡的可控相变不一而足。然而，这两类OG都需要二级响应时间，在实际应用中会给用户带来明显的延迟，OG 的响应时间被定义为产生或终止气味的延迟时间。例如，Metaverse 作为最重要的嗅觉界面应用领域之一，要求为用户提供流畅、即时和身临其境的体验，对人机界面系统和网络的延迟时间要求都很低。
除了 OGs 在延迟问题上的挑战之外，还存在一些技术难题，包括小型化、优化功耗和建立高通道数/密度。例如，最先进的气味生成方法一般需要一整套笨重的设备，提供的气味有限，操作专业，迫使用户每次都要到特定的地方体验嗅觉反馈，这对用户来说并不友好，因此，同时具有亚秒级响应时间、厘米级尺寸、数十个 OGs阵列和微瓦级低功耗的嗅觉界面极具挑战性。
研究成果
嗅觉反馈系统可用于激发人类情感、提高警觉性、提供临床治疗以及建立身临其境的虚拟环境。目前，已报道的嗅觉反馈技术仍然面临着一系列严峻的挑战，包括气味操作中人类可感知的延迟、笨重的尺寸以及气味供应数量有限等。在此，作者报告了解决这些问题的总体策略，即基于微型气味发生器(OGs)和先进人工智能(A)算法的可穿、高性能嗅觉界面。气味发生器是智能嗅觉界面的核心技术，它在毫秒级响应时间、毫瓦级功耗和微型化尺寸方面都取得了里程碑式的进步。在强大的人工智能算法的支持下，嗅觉界面在无延迟混合现实(MR)和快速嗅觉增强方面展现出巨大潜力，从而在电子设备和用户之间架起一座桥梁广泛应用于娱乐、教育、医疗和人机界面等领域。相关研究以“Intelligent wearable olfactory interface for latency-free mixed reality and fast olfactory enhancement”为题发表在Nature Communications期刊上。香港城市大学于欣格教授、东京大学Takao Someya教授、中国特种设备检验研究所赵召教授和北京航空航天大学李宇航教授为论文通讯作者。
图文导读
Fig. 1 | Concept of the olfaction interfaces.
Fig. 2 | Optimal electrical performance of the OGs.
Fig. 3 | A representative demonstration of intelligent olfaction system for achieving a latency-free MR application.
Fig. 4 | One application of the MR system with the olfaction interfaces integrated.
Fig. 5 | One typical demonstration of the wearable， 32-channel OGs array-based olfaction interface for olfaction training.
Fig. 6 | One typical application of the AI-driven olfaction interface in olfaction enhancement.
总结与展望
总之，作者开发了一系列人工智能驱动的可穿戴嗅觉接口，基于高性能的OGs，实现了无延迟磁共振和快速嗅觉恢复应用。作为嗅觉接口的核心技术，OGs采用电磁阀结构，支持三种控制气味产生速率的方法，包括将交流电输入电磁线圈的主要操作占空比和振幅用于快速关闭或打开呼吸孔，以及由加热平台控制内部加热温度。因此，微型OG在毫秒级响应时间、毫瓦级功耗、整体尺寸、稳定性和超高气味供应数量等方面的技术进步远远超过了已报道的OG。因此，嗅觉接口既能实现低系统延迟时间，又能实现超高密度和吞吐量的OGs阵列。因此，当嗅觉界面与我们自主研发的人工智能算法相结合时，系统就能分别在磁共振和嗅觉训练应用中为用户提供无延迟的嗅觉反馈和个性化的觉增强方案。这种方法可以成为基于嗅觉的信息渠道的起点，应用于许多意义深远的领域，包括基于 VR/AR/MR 的元宇宙、在线教育和临床治疗。将嗅觉系统与生理学、神经科学、心理学和材料科学联系起来将是很有前途的未来研究方向。
文献链接
Intelligent wearable olfactory interface for latency-free mixed reality and fast olfactory enhancement
https://doi.org/10.1038/s41467-024-48884-z
