嗅觉反馈系统可用于刺激人类情感、提高警觉性、提供临床治疗，以及建立沉浸式的虚拟环境。然而，现有的嗅觉反馈技术仍面临诸多严峻挑战，包括用户感知延迟、系统笨重以及气味源有限等问题。
据麦姆斯咨询报道，近期，香港城市大学、中国特种设备检测研究院、北京航空航天大学和东京大学的研究团队联合提出一种用于解决上述问题的通用策略，即基于微型气味发生器（OG）和先进人工智能（AI）算法的可穿戴、高性能嗅觉接口。该嗅觉接口表现出前所未有的高响应速度（0.07 s）、高OG阵列密度（0.75 unit/cm²）和无延迟特性，未来有望在人机交互、医疗、远程教育和娱乐等领域展现巨大的应用潜力。相关研究成果以“Intelligent wearable olfactory interface for latency-free mixed reality and fast olfactory enhancement”为题发表在Nature Communications期刊上。
图1 本研究提出的嗅觉接口概念
这项研究工作介绍了一系列用于人工智能驱动的无线嗅觉接口的材料、算法、器件、机械、电子和集成策略。嗅觉接口阵列中的微型OG工作原理是利用气流和热量来产生气味，通过机械致动器打开或关闭OG上的呼吸孔来控制气味释放，同时通过调节加热温度来控制气味浓度。研究人员对OG的呼吸孔模式、内部加热温度，以及电磁线圈输入功率、频率、振幅和占空比进行了一系列实验优化，优化后的参数使OG表现出超快的响应时间、精确的气味生成控制和低功耗性能。
图2 优化后的OG展现出优异电气性能
在自主研发的人工智能算法支持下，基于OG的嗅觉接口可用于混合现实，实现无延迟应用。该无延迟嗅觉系统不仅能够提供零延迟的嗅觉反馈，还可以通过在人工智能算法中设置延迟时间，实现可控的嗅觉反馈延迟，从而在虚拟环境中模拟真实的人类嗅觉感知。在实际应用中，这将能够为嗅觉退化患者提供高效的嗅觉训练。
该嗅觉接口支持32种常见气味类型，包括水果、香料、饮料、面包、草药等。除了集成OG的实体模型外，研究人员还自主开发了基于柔性印刷电路板（FPCB）的柔性控制面板，用于对OG进行无线操作，实现双通道OG独立操作。控制面板的柔性设计使其能够良好贴合在人体皮肤上，适合长期佩戴，用户还可以在混合现实应用中将其佩戴在项链和戒指模型中。
图3 实现无延迟混合现实的智能嗅觉系统应用演示
图4 集成嗅觉接口的混合现实系统应用演示
图5 用于嗅觉训练的可穿戴32通道OG阵列嗅觉接口的应用演示
图6 人工智能驱动的嗅觉接口在嗅觉增强中的典型应用
综上所述，这项研究开发了一系列基于高性能OG的人工智能驱动可穿戴嗅觉接口，用于实现无延迟的混合现实和快速的嗅觉恢复应用。通过与自主开发的人工智能算法相结合，该嗅觉接口系统可以为混合现实应用提供无延迟的嗅觉反馈，并为嗅觉训练用户提供个性化的嗅觉增强策略。该研究为许多具有深远影响的应用奠定了基础，包括基于增强现实/虚拟现实/混合现实（AR/VR/MR）的元宇宙、在线教育和临床治疗。未来，将嗅觉系统与生理学、神经科学、心理学和材料科学相结合的研究将成为重要方向。
论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-48884-z
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