Har du noen gang bestilt en parfyme på nettet fordi omtalen var strålende og emballasjen så lovende ut – bare for å angre idet du tok den første lukten? Et nytt forskningssystem kan på sikt gjøre slike bomkjøp mindre risikable ved å overføre lukt digitalt.

Forskerne har så langt demonstrert systemet med øl, kake, kaffe, appelsin og rødvin. Løsningen består av en elektronisk nese som registrerer kjemiske forbindelser i luften, og Scentronic, en mottakerenhet som slipper ut en tilsvarende ferdigblandet duft. Maskinlæringsprogramvare og en nettforbindelse kobler de to enhetene sammen.

En lukt er vanskeligere å digitalisere

Bilder og lyd kan enkelt fanges opp av elektronikk. Et kamera registrerer lys som treffer en sensor, mens en mikrofon måler endringer i lufttrykk. Lukt består derimot av molekyler i luften, ofte i komplekse blandinger. Det er identiteten og konsentrasjonen til disse molekylene som avgjør hva vi oppfatter.

Forskerne måtte derfor finne en måte å gjøre kjemiske signaler om til digitale data. Den elektroniske nesen er bygget rundt et sirkelformet kretskort med seks halvlederbaserte gassensorer av metalloksid. Det viktigste sensormaterialet er tinnoksid.

I vanlig luft fester oksygenmolekyler seg til sensoroverflatene og trekker elektroner bort fra materialet. Det øker den elektriske motstanden. Når flyktige organiske forbindelser, såkalte VOC-er, fra mat eller drikke når overflaten, reagerer noen av dem med det bundne oksygenet og fører elektroner tilbake til tinnoksidet. Motstanden synker, og kretsen registrerer en tilsvarende økning i spenningen.

Etanol fra alkoholholdig drikke, limonen fra sitrus og diacetyl fra smøraktige aromaer er blant forbindelsene som kan utløse slike reaksjoner. Siden sensorene reagerer ulikt, gir hver lukt en særpreget spenningsprofil på tvers av sensorene – en slags, men ganske upresis, kjemisk signatur.

250 målinger ble brukt til å trene modellene

For å knytte spenningsmønstrene til bestemte lukter samlet forskerne inn 250 merkede opptak. Det ble gjort 50 opptak for hver av de fem mat- og drikkekategoriene, og sensorenes endringer i spenning ble målt over 200 sekunder per opptak.

Forskerne trente og sammenlignet flere maskinlæringsmodeller. Når systemet gjenkjenner et kjent mønster, kan det tilordne et navn som «kaffe» eller «appelsin». En datamaskin klassifiserer de digitaliserte signalene, før resultatet sendes videre via en skyserver koblet til internett.

Den elektroniske nesen klassifiserte de fem lukt-kategoriene med en treffsikkerhet på mellom 96 og 100 prosent i kontrollerte tester, avhengig av hvilken metode som ble brukt.

Scentronic slipper ut ferdiglagde dufter

På mottakersiden har Scentronic små kamre med ferdigblandede duftvæsker. Hvert kammer er koblet til sin egen utslippskanal. Et bomullsfilter trekker væsken mot en piezoelektrisk forstøver – en liten skive som bøyer seg når den tilføres strøm.

Forstøveren drives med rundt 110 000 vibrasjoner i sekundet. Det presser væsken gjennom mikroskopiske åpninger og gjør den om til en tåke av duftende dråper. Når en elektronisk beskjed om «kaffe» kommer frem, aktiveres kanalen som inneholder en kaffelignende duft.

En ESP32-mikrokontroller styrer forstøveren med raske elektriske pulser. Ved å endre sprøytefrekvensen kan systemet regulere hvor mye duft som slippes ut. Flere kanaler kan også aktiveres samtidig, slik at enheten lager blandinger ved å variere bidraget fra hver kanal.

Det er imidlertid viktig å merke seg at Scentronic ikke lager en lukt fra grunnen av. Enheten er forhåndslastet med de fem mulige duftene. Den kunstige intelligensen identifiserer lukt-kategorien, mens mottakeren følger programmerte instrukser og slipper ut den tilsvarende duften som allerede finnes i enheten.

Forskerne undersøkte flere utforminger: et lett armbånd med to duftkanaler, et halskjede med fem kanaler plassert som perler på en snor, og en håndholdt variant med fem kanaler. Armbåndet kan løftes mot nesen for å lukte på utslippet, mens halskjedet holder utslippene nær ansiktet.

Mennesker traff dårligere enn sensorene

At den elektroniske nesen kan gjenkjenne kategoriene, betyr ikke nødvendigvis at mennesker oppfatter gjengivelsen som identisk med originalen. Da 14 frivillige skulle identifisere dufter fra den håndholdte Scentronic-enheten, svarte de riktig i omtrent 73 prosent av tilfellene for enkeltlukter. For kombinasjoner av to dufter var treffsikkerheten rundt 71 prosent.

I en separat test der deltakerne skulle rangere intensiteten, var treffsikkerheten rundt 59 prosent. Resultatene viser dermed et tydelig skille mellom systemets evne til å klassifisere en lukt elektronisk og menneskers evne til å kjenne igjen eller vurdere den kunstig gjenskapte duften.

Det finnes allerede bærbar teknologi som kan generere lukt. I 2023 demonstrerte forskere i Hongkong trådløse VR-grensesnitt som slapp ut forhåndslastede dufter. Det finnes også en ansiktsmontert versjon som kan presentere mer enn et dusin lukter.

Scentronic-teamet kombinerer likevel flere komponenter i ett system: elektronisk registrering, kunstig intelligens, kommunikasjon over internett og utslipp av duft på et annet sted. Det er denne fjernoverføringen som skiller løsningen fra en ren duftgenerator.

Begrenset til fem kategorier

Foreløpig er systemet langt unna å kunne analysere og gjenskape hvilken som helst lukt. Den elektroniske nesen kjenner bare igjen fem kategorier, og treningen brukte bare ett produkt fra hver kategori. Scentronic må dessuten ha en tilsvarende duft lastet inn på forhånd for hver lukt den skal kunne produsere.

Systemet kan derfor ikke lukte på en ukjent parfyme, finne hele den molekylære oppskriften og gjenskape den troverdig hos en kunde som handler på nettet. Med fem kanaler blir resultatet i stedet en gjenkjennelig stedfortreder for den opprinnelige lukten.

Forskerne ser likevel mulige bruksområder. Nettbutikker kan i fremtiden la kunder prøve dufter før de bestiller, dersom de riktige duftene er tilgjengelige i mottakerenden. En mer praktisk bruk kan være virtuell virkelighet, der et spill leveres sammen med en egen Scentronic-pakke som slipper ut bestemte lukter underveis. I et slikt scenario er den elektroniske nesen ikke nødvendigvis nødvendig.

Eksperimenterte også med smak

Forskerne testet dessuten hvordan lukt og smak kan kombineres. De bygget en eksperimentell kopp med fem duftkanaler og fem små elektromagnetiske pumper. Pumpene dryppet smakstilsetninger i vann.

Når en person med et mixed-reality-hodesett valgte virtuell øl eller kaffe, slapp koppen ut en tilsvarende aroma og tilsatte den aktuelle væsken for å gi smak. Forskerne demonstrerte også reaksjoner på øl, kaffe og en kombinasjon av de to. Prototypen viser hvordan syn, lyd, lukt og smak kan kobles sammen.

«This has broad applications for patients with nutritional challenges and populations like astronauts (facing unappealing food supplements) or warfighters (consuming field rations), where enhancing perceived food quality can have critical nutritional/performance outcomes,»

Forskerne skrev at teknologien kan få bred anvendelse for pasienter med ernæringsutfordringer og for grupper som astronauter, som kan møte lite appetittvekkende kosttilskudd, eller soldater som spiser feltrasjoner. Bedre opplevd matkvalitet kan ifølge forskerne få betydning for ernæring og yteevne.

Vil forbedre sensorer og teste mennesker grundigere

De neste stegene er mer følsomme sensorer, større treningsdatasett, flere duftkanaler og bedre håndtering av komplekse blandinger. Forskerne ønsker også mer omfattende tester på mennesker og standardiserte metoder for å vurdere medisinske lukter.

Studien er publisert i tidsskriftet Science Advances.