嗅觉：人机交互中被唤醒的感官

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嗅觉：人机交互中被唤醒的感官

当机器也能“闻”

想象这样一个场景：清晨，你在厨房冲咖啡，智能助手提示：“今天的咖啡豆香气偏淡，可能放久了。”午饭前，它又提醒：“厨房空气中检测到轻微焦糊味，请检查炉灶。”晚上，在客厅看电影时，它伴随剧情释放出雨后泥土的味道，让人身临其境。

这一切听起来像科幻电影，但其实正在变成现实。随着传感器和人工智能的发展，科学家正在让机器学会“闻”——这是嗅觉感知计算的核心，也是一项关乎健康、安全与情感体验的全新科技。今天，我们就来聊聊嗅觉感知计算与人机交互，看看这一新技术如何一步步走进未来生活。

界面的演进：从屏幕到空气

人机交互的历史是一部“界面史”：

￮ GUI（图形用户界面）：电脑屏幕、手机图标，用视觉来操作。

￮ TUI（有形用户界面）：积木、触控设备，让人能“摸”到数字世界。

￮ NUI（自然用户界面）：引入更多模态和感官（如手势、语音、眼动追踪、五感），更贴近人的自然行为。

2008 年，Jacob 等学者在 CHI 会议上提出“基于真实的交互设计（Reality-Based Interaction）”[1]，主张界面应借鉴人类的日常经验，让人与机器的交流像在现实世界一样自然。视觉和听觉已被大量应用，而嗅觉——作为容易被人忽视的“沉睡感官”——正在被唤醒。

一个著名的艺术实验是 MIT Media Lab 的 “Dollars & Scents”。部署在实验室办公楼大堂的扩香系统会根据股市变化自动释放不同气味：市场上涨时喷出清新的薄荷味，让人心情愉快；下跌时则散发酸涩的柠檬味，引发焦虑与警觉。这不仅是一个有趣的技术展示，更提示了人们气味可以传递信息与情绪的妙用。

感知：机器如何学会“闻”

（1）人类的嗅觉密码

人类能分辨成千上万种气味，秘诀在于所谓的“交叉敏感”机制：

￮一个嗅觉受体能与多种气味分子结合；

￮一个气味分子也能作用于多个受体。

这就像乐曲由多个音符组成，嗅觉也是大脑通过“受体组合”形成的气味编码。更神奇的是，嗅觉与记忆和情绪高度绑定：杏仁核、海马区既负责嗅觉加工，又负责情感记忆，因此气味总能让人“铭记于心”。

这也解释了为什么气味难以用语言描述——嗅觉系统主要和大脑的右半球相连，而语言多由左半球主导，所以我们常常“说不清楚，但忘不了”。

（2）人工嗅觉的仿生原理

科学家们受到启发，开发了“电子鼻”（E-nose）：利用一组对不同气体敏感的传感器来模拟嗅觉受体的交叉敏感。它不会识别单个分子，而是通过传感器阵列的“响应模式”来识别复杂气味。

例如，清华大学未来实验室的嗅觉计算团队研发了多代电子鼻系统，能够在 ppm（百万分之一浓度）级别快速检测气体。应用方向包括：

￮公共安全：在机场、公交、出租车中检测易燃易爆物。

￮家庭生活：监测燃气泄漏、食物变质、饭菜焦糊。

￮健康医疗：通过呼气分析疾病风险，为嗅觉障碍患者开发辅助设备。

￮消费体验：水果成熟度预测、香水个性化推荐。

这些应用展示了嗅觉感知对未来生活的潜力。

计算：让气味变成“数据”

感知只是第一步，下一步是“计算”——把气味模式转化为可理解、可预测的信息。

1. 嗅觉空间的解构

2023 年，《Science》刊登了 Google Brain 团队的研究 POM（Principal Odor Map）[2]。他们通过机器学习，把分子结构映射到嗅觉感知空间，建立了气味预测模型。后来该团队成立了初创公司 OSMO，致力于“数字嗅觉图谱”。

（2）面向应用的快速识别与场景理解

在实际应用中，更需要快速、可靠的嗅觉计算。未来实验室嗅觉计算团队开发了8 通道轻型电子鼻，能在十秒内区分 53 种气味类别，准确率达到 95.3%（Sensors and Actuators B, 2025）[3]。同时，还探索了利用多模态 AI 来解析电影内容，自动渲染气味轨道，为沉浸式影像带来“气味声道”（IEEE VR 2024）[4]。

可以说，嗅觉计算正处在“从量变到质变”的关键阶段：随着更多数据的积累，机器对气味的理解将越来越接近人类

交互：从科幻到现实

从上世纪初开始，不断有发明家、从业者尝试在影院释放气味，使得观众更加“身临其境”，虽然效果不佳，但这些尝试开创了“气味电影”的先河。此后，研究者不断探索设计嗅觉增强的多感官体验，如Sensorama（1960s）：视觉影像系统结合风、振动和气味；MetaCookie+（2011, CHI）[5]：通过视觉增强和气味叠加，让普通饼干“变身”不同口味。

当前，嗅觉交互的应用场景已经拓展到很多场景，例如虚拟现实、记忆增强、信息传达、健康与疗愈、新媒体艺术等。未来实验室嗅觉计算团队提出了“为更多而设计”的研究愿景：只有开发出更好用的设计工具，才能在不同用户、不同场景、不同复杂度的应用中推广嗅觉交互。这意味着不仅要研究“气味本身”，还要考虑它与多场景、多感官的融合。

嗅觉与健康：科普日的核心意义

在世界嗅觉日，讨论嗅觉不仅是前沿科技的展示，也关乎健康。全球有超过 5% 的人口存在嗅觉障碍（WHO 数据），对他们而言，嗅觉交互技术或许能成为“辅助嗅觉”的新手段，例如智能嗅觉训练装置能帮助嗅觉障碍患者进行康复训练、辅助治疗阿尔兹海默症。对大众来说，嗅觉界面的应用也可能带来更便捷的安全提醒、更丰富的感官体验。嗅觉健康是所有嗅觉交互的前提，而嗅觉交互技术也在反过来赋能嗅觉健康。

结语：未来的世界，也许能“闻得到”

从 GUI 到 NUI，从“看见”到“闻见”，人机交互的发展趋势表明：越多感官参与，我们与数字世界的边界就越模糊。嗅觉感知计算仍在起步，但已经展示出巨大的潜力。未来，当你走进超市，电子鼻能告诉你水果的新鲜度；在 VR 游戏里，你能闻到森林的潮湿气息；在医院里，病人的呼吸气体能即时被分析，辅助医生诊断。嗅觉不仅是被遗忘的感官，更是通往未来人机交互的重要钥匙。

参考文献：

1. Jacob, Robert JK, et al. "Reality-based interaction: a framework for post-WIMP interfaces." Proceedings of the SIGCHI conference on Human factors in computing systems. 2008.

2. Lee, Brian K., et al. "A principal odor map unifies diverse tasks in olfactory perception." Science 381.6661 (2023): 999-1006.

3. Sun, Yuchi, et al. "An electronic nose device with rapid and universal odor detection capability." Sensors and Actuators B: Chemical (2025): 137871.

4. Zhang, Yu, et al. "OdorAgent: Generate odor sequences for movies based on large language model." 2024 IEEE Conference Virtual Reality and 3D User Interfaces (VR). IEEE, 2024.

5. Narumi, Takuji, et al. "Augmented reality flavors: gustatory display based on edible marker and cross-modal interaction." Proceedings of the SIGCHI conference on human factors in computing systems. 2011.

来源：化学感知

2025年11月14日 08:20