Von Molekülen zu Erinnerungen: Das Zeitalter der Duftteleportation beginnt

Können Sie sich vorstellen, diesen wunderschönen Duft, den Sie bei einer Wanderung gerochen haben, genauso einfach wie ein Lied oder ein Bild an Ihren Freund oder Ihre Familie zu senden?

Nun, das ist möglich, weil die Digitalisierung es ermöglicht hat. Genau. Wie all die anderen Bereiche Ihres Lebens wird auch der Geruch digitalisiert!

Die Digitalisierung von Gerüchen, auch als digitale Olfaktion bezeichnet, ist der Prozess, Düfte mit Hilfe von Sensoren und Software zu erfassen, zu übertragen und wiederherzustellen.

Indem man nachahmt, wie das menschliche Gehirn Gerüche erkennt und unterscheidet, kann digitale Olfaktion verwendet werden, um digitale Duftmedien zu erstellen, neue Produkte zu entwickeln, Krankheiten zu erkennen, Moleküle vorherzusagen und Lebensmittel anzubauen.

Im Vergleich zu Bildern hat Geruch ein weitaus größeres Potenzial, Menschen zu beeinflussen. Schließlich löst olfaktorische Stimulation mehr Gehirnaktivität aus als visuelle Stimulation.

Trotzdem konzentrierten sich die meisten wissenschaftlichen Fortschritte auf Sehen und Hören. Heute bieten intelligente Geräte wie Handys und Laptops fast jedem beeindruckende integrierte Funktionen, die hauptsächlich auf Klang und Licht ausgerichtet sind. Duft hat noch nicht dieselben technologischen Möglichkeiten und Fortschritte erhalten, weil er unter anderem sehr persönlich ist.

Der olfaktorische Bereich im Gehirn ist direkt mit dem Hippocampus verbunden, der mit Gedächtnis und Kognition verknüpft ist, sowie mit dem Bereich, der für die Verarbeitung von Emotionen (Amygdala) zuständig ist. Infolgedessen hat Aroma die kraftvolle Fähigkeit, ein bestimmtes Gedächtnis auszulösen.

Aber vor allem ist es extrem komplex. Es gibt etwa 1000 Gene für Duftrezeptoren, die eine entsprechende Anzahl von olfaktorischen Rezeptortypen codieren.

Interessanterweise gibt es drei bekannte Typen von Fotorezeptoren im Auge, während olfaktorische Rezeptoren über 6 Millionen spezialisierte sensorische Nervenzellen im oberen Teil der Nase verteilt sind.

Genau diese Komplexität des Geruchs ermöglicht es unseren Nasen, Parkinson zu erkennen. Gleichzeitig besitzen Tiere wie Hunde und Bienen einen so ausgeprägten Geruchssinn, dass sie sogar Krebs und Alzheimer erschnüffeln können. Doch dieselbe Komplexität ist der Grund dafür, dass wir das olfaktorische System so schlecht verstehen.

Die Dinge ändern sich jedoch, da Düfte digitalisiert werden.

Unsichtbares kartieren: Eine digitale Karte des Geruchs erstellen

Der Versuch, Geruch zu verstehen, läuft schon lange, aber bisher war er recht begrenzt.

Technologische Fortschritte haben jedoch zu einem wachsenden Fokus geführt, was zur Gründung der Digital Olfaction Society (DOS) führte. Sie hat das Ziel, Geräte zu entwickeln, die Gerüche aufzeichnen, in digitale Daten umwandeln, übertragen und schließlich an verschiedenen Orten der Welt wiederherstellen.

Die DOS leitet derzeit ein globales Projekt, um die Düfte verschiedener Orte für den kulturellen Erhalt zu erfassen und zu archivieren. Dafür lädt die Gruppe Experten aus aller Welt ein, die Düfte ihrer lokalen Regionen zu digitalisieren, die dann von einem speziellen Team in Tokio wiederhergestellt werden.

Vor ein paar Jahren entwickelten Forscher der Kyushu University in Japan, in Zusammenarbeit mit der University of Tokyo, ebenfalls einen olfaktorischen Sensor namens „künstliche Nase“, der Personen anhand der Analyse der Bestandteile ihres Atems identifizieren konnte. Mit einem 16‑Kanal‑Sensorarray gebaut, konnte die „künstliche Nase“ biometrisch mit einer durchschnittlichen Genauigkeit von über 97 % authentifizieren.

Jetzt teleportiert Osmo erfolgreich Düfte von einem Teil der Welt zum anderen. Als wichtiger Akteur in diesem Bereich nutzt Osmo die Google‑Cloud‑KI‑Technologie, um Geruch zu digitalisieren, um „jedem eine Chance auf ein besseres Leben zu geben“.

Osmo stellt sich eine neue Ära vor, in der Computer Düfte genauso erzeugen können wie Bilder und Geräusche.

“Es war meine Leidenschaft, den Geruch zu verstehen. Es ist ein sehr kraftvoller emotionaler Sinn, doch wir wissen so wenig darüber.”

Wiltschko, der Neurowissenschaften an der University of Michigan und speziell olfaktorische Neurowissenschaften an der Harvard studierte, gründete Osmo als Forschungsprojekt bei Google (GOOGL ), bevor er es 2022 als Startup mit einer Unterstützung von 60 Mio. $ von Google Ventures und Lux Capital startete. Ende letzten Jahres stellte die Bill & Melinda Gates Foundation Osmo außerdem eine Förderung von 3,5 Mio. $ zu, zusätzlich zu einer Eigenkapitalinvestition von 5 Mio. $.

Bei Google Research arbeitete Wiltschko im Brain‑Team an der Validierung der Forschung zur digitalen Olfaktion.

Dort lag der Fokus darauf, Graph Neural Networks (GNN) zu nutzen, um einen Durchbruch bei der Vorhersage des Geruchs einer Moleküls anhand seiner Struktur zu erzielen. Weiterführende Forschung beschäftigte sich mit der Gestaltung neuer Moleküle, die noch nie gerochen wurden, und deren präziser Vorhersage. Das Team entwickelte zudem Moleküle, die Mücken abwehren, aber in menschlichen Tests sehr stark riechten.

Im Jahr 2022 schrieb Wiltschko zusammen mit Richard C. Gerkin von Google Research über die Nutzung molekularer Karten zum Verständnis von Gerüchen.

Das Team schlug sensorische Karten vor, um einen Geruch zu messen, der durch Moleküle erzeugt wird, die durch die Luft driften, dann in unsere Nasen eindringen und dort an sensorische Rezeptoren binden. Aber bei Milliarden von Molekülen, die einen Geruch erzeugen können, ist es schwierig herauszufinden, welche Moleküle welche Gerüche erzeugen.

Während wir für Farben Karten über das Farbkreis und für Klänge Frequenzen zur Kartierung haben, gibt es aufgrund der genannten Komplexität keine nützlichen Karten für Gerüche.

Vor einigen Jahren, vor diesem Blog, entwickelte das Team das GNN‑Modell, das Tausende von Beispielen verschiedener Moleküle mit Geruchsetiketten untersuchte, um die Beziehung zwischen der Molekülstruktur und der Wahrscheinlichkeit eines Geruchsetiketts zu erlernen.

Jedes Molekül wurde als Vektor dargestellt, der das Molekül in seinem Geruch ausdrückt. Darauf basierend wurde eine „Principal Odor Map“ (POM) eingeführt, um die Vektorrepräsentation jedes geruchsintensiven Moleküls zu identifizieren.

Klicken Sie hier, um mehr über einen neuen Typ von olfaktorischem Chip zu erfahren, der den natürlichen Geruchssinn simulieren kann.

Eine neue Realität: Duftteleportation ist endlich da

Im vergangenen Jahr sprach Wiltschko, CEO von Osmo, darüber, die KI‑Technologie von Google Cloud zu nutzen, um die Herausforderung der Kartierung unseres Geruchssinns anzugehen und das menschliche Wohlbefinden zu verbessern.

In den letzten Jahren hat die künstliche Technologie erheblich an Popularität und Nutzung gewonnen. Laut einer McKinsey‑Umfrage ist die KI‑Einführung im Jahr 2024 auf erstaunliche 72 % gestiegen, da sie in immer mehr Geschäftsbereichen eingesetzt wird. PwC prognostiziert, dass KI bis 2030 einen Beitrag von 15,7 Billionen $ zur globalen Wirtschaft leisten wird.

KI hat schlichtweg keinen Sektor unberührt gelassen, aber im Gegensatz zu KI‑Chatbots, die mit Daten aus dem „gesamten Internet“ trainiert werden können, gibt es keine vergleichbare digitale Bibliothek mit Informationen zu Düften.

Ein Durchbruch in der maschinellen Olfaktion kam durch die DREAM Olfaction Prediction Challenge, die vor fast einem Jahrzehnt veranstaltet wurde, um Teams weltweit ihre ML‑Modelle teilen zu lassen.

Seitdem ist dieser Datensatz gewachsen, und jetzt nutzt Osmo KI, um die außergewöhnlich breite Welt der Düfte zu katalogisieren. Es wird geschätzt, dass bis zu 40 Milliarden Moleküle einen Geruch haben könnten, aber nur 100 Millionen davon sind bekannt.

Das Startup nutzt Google‑Cloud‑KI‑Lösungen, um diese enorme Datenmenge zu verarbeiten. Eine der Lösungen ist Vertex AI, das zum Trainieren von KI verwendet wird.

“Es war übermenschlich in seiner Fähigkeit, vorherzusagen, wie Dinge riechen.”

– Wiltschko

Sobald die Machine‑Learning‑Modelle gebaut, trainiert und in großem Maßstab bereitgestellt sind, werden sie über eine große Molekülbibliothek mit Dataflow ausgeführt und die Ergebnisse liegen in BigQuery und Bigtable vor.

Obwohl das Endziel darin besteht, Computern alles zu ermöglichen, was unsere Nasen können – schließlich medizinischen Fachkräften bei der Erkennung von Krankheiten zu helfen – will Osmo kurzfristig nachhaltige und sicherere Aromamoleküle für Düfte wie Parfüm, Insektenschutzmittel und Waschmittel herstellen.

Der Duft in diesen Produkten wird in der Regel von „einer sehr kleinen Anzahl geheimer Unternehmen“ entwickelt, und Wiltschko glaubt, sein Unternehmen „kann es besser machen … indem es bessere und sicherere Inhaltsstoffe herstellt, die nicht giftig sind … und Ihre Haut oder Ihre Augen nicht reizen.“

Damit hat Osmo erfolgreich den Duft einer Pflaume teleportiert. Wie das Team erklärt, bedeutet das, dass Osmo Computern beigebracht hat, einen Duft aus seiner Originalform zu lesen, zu kartieren und zu schreiben und dann den Geruch oder seine Essenz an einem anderen Ort wiederherzustellen.

„Diese Entwicklung hat massive Auswirkungen auf zahlreiche Branchen, von Duftstoffen über Gesundheit, Sicherheit, Landwirtschaft und mehr“, bemerkte Osmo in seinem Video‑Update.

Früher in diesem Jahr vorgestellt, das als „Osmos ambitioniertestes Projekt“ bezeichnet wird, wurde die Duftteleportation im Labor erfolgreich umgesetzt, wie Osmo in einer Ankündigung des Prozesses mitteilte.

Der erste erfolgreiche Versuch beinhaltete eine einfache Scheibe Kokosnuss, nutzte jedoch einen neuartigen Ansatz, der keine menschliche Intervention außer auf Eingabe‑ und Ausgabestufen erfordert. Dies ist das Ergebnis wöchentlicher Experimente mit moderner Software und KI. Das Team bemerkte:

“(Seit der ersten Ankündigung der Duftteleportation) haben wir erstaunliche Fortschritte erzielt. Jeden Monat machen wir die Duftteleportation ein wenig schneller, ein wenig automatisierter und fordern sie heraus, komplexere Düfte zu übertragen.”

Die Wissenschaft hinter der Duftteleportation: Wie funktioniert sie?

Die Funktionsweise der Duftteleportationstechnologie besteht darin, dass zunächst der ausgewählte Duft in ein Gerät namens Gaschromatographie‑Massenspektrometrie (GCMS) eingeführt wird, eine Technik, die zur Identifizierung und Analyse von Substanzen in einer Probe verwendet wird.

Während eine Flüssigkeit direkt injiziert werden kann, wird für eine feste Probe, wie eine Pflaume, die Headspace‑Analyse verwendet. Diese Analyse beinhaltet das Einfangen des Dufts in der Luft um das Objekt und das anschließende Absorbieren durch ein Rohr.

Das GCMS‑System erkennt die Rohdaten und sendet sie dann in die Cloud, wo sie als Koordinate auf seiner POM angezeigt wird. Dieses hochentwickelte, KI‑gesteuerte Werkzeug kartiert Gerüche in einen mehrdimensionalen Raum, um vorherzusagen, wie eine bestimmte molekulare Kombination riecht, und ermöglicht genauere Rekreationen.

Die Formel wird an den Formulierungs‑Roboter übertragen, der verschiedene Düfte mischt, um die Probe zu erzeugen. Diese Werkzeuge werden ständig getestet, um Prozesse zu verfeinern.

Im letzten Schritt verglich das Team die Originalprobe mit der Kopie, um einen hohen Grad an Ähnlichkeit zu erreichen. Das Ziel ist, Düfte wiederherzustellen, die zu ihren ursprünglichen Geruchs‑Familien passen, und bei jedem Versuch konnten sie jede Nuance des Geruchs besser erfassen.

“Wir tun etwas, das noch niemand zuvor geschafft hat.”

– Osmo

Das Problem ist, dass einige Moleküle kaum von den Sensoren erfasst werden, aber trotz ihrer Subtilität haben sie einen erheblichen Einfluss auf den Gesamtduft.

Auch das Verschieben einer winzigen Komponente in einem Molekül kann dessen Duft von Rosen zu faulen Eiern verändern. Dann gibt es das Problem, dass einige Moleküle, die in alltäglichen Düften vorkommen, noch nicht identifiziert sind.

Mit seinem derzeit laufenden Datensammlungsprozess zielt Osmo darauf ab, einige dieser Probleme zu lösen und neue Wege zu finden, Moleküle neu zu erschaffen.

Das Team hat bereits die „größte KI‑kompatible Duftdatenbank der Welt“ erstellt, die zum Trainieren von Algorithmen und zur Verfeinerung ihrer Geruchssinne erforderlich ist. Dennoch bleibt die Herausforderung, all diese Daten nutzbar zu machen, was menschliche Anleitung erfordert – ein Hindernis, das das Osmo‑Team hoffentlich bald überwinden wird.

Im nächsten Schritt wird Osmo ausgewählte Demos für die Öffentlichkeit öffnen, damit diese die Duftteleportation direkt erleben und die Technologie des Startups sowie deren Wirksamkeit bei der Reproduktion des Geruchs prüfen können.

Damit kommt das Startup dem Ziel, die Welt auf einer der grundlegendsten Arten zusammenzubringen, näher: Ein schöner Duft, den Sie riechen, kann leicht mit jemand anderem geteilt werden. Und schließlich plant Osmo, Krankheiten mittels Duft zu erkennen, was „dieses Jahr nicht passieren wird oder in naher Zukunft, aber wir sind auf dem Weg“, sagte Wiltschko.

Unternehmen, die die aufstrebende Technologie vorantreiben

Werfen wir nun einen Blick auf Unternehmen, die an der Schaffung dieses neuen virtuellen Erlebnisses arbeiten, bei dem man Düfte von Parfums und Kaffees über das Internet teilen kann, ähnlich wie Bilder gepostet werden.

Derzeit gibt es einige innovative Startups, die neue Ansätze für digitale Geruchstechnologie vorantreiben.

Aryballe ist ein Unternehmen, das biochemische Sensoren, ML und fortschrittliche Optik kombiniert, um Duftdaten zu sammeln, anzuzeigen und zu analysieren. Seine Hardware‑Lösungen basieren auf Aryballes silizium‑photonik‑basierten Plattform, die Duftdaten erkennt, aufzeichnet und erkennt. Aryballe bietet zudem einen Festkörper‑Duftsensor namens Core Sensor Module (CSM) an, der auf Tausende von Düften empfindlich ist und in die fluidischen, mechanischen und elektrischen Architekturen der Kunden integriert werden kann.

Aromyx ist ein weiteres verbraucherorientiertes Biotech‑Startup, das Geschmack und Geruch mithilfe synthetischer Biologie und Data Science misst. Die Rekonstruktion der menschlichen Nasenbiologie liefert Einblicke für ihre Kunden. Unternehmen können die Software und KI‑Programme von Aromyx nutzen, um ihre Daten in die umfassende Cloud für Vergleich, Modellierung, Simulation und Interpretation zu übertragen.

Das Monell Chemical Senses Center ist hingegen ein unabhängiges, gemeinnütziges Forschungsinstitut, das großskalige ML‑Algorithmen entwickelt, um die Geruchqualität basierend auf der Molekülstruktur vorherzusagen und letztlich Geräte in Zusammenarbeit mit kommerziellen Partnern zu bauen, die Düfte erkennen, erzeugen und teilen. Sein Projekt AROMA evaluiert derzeit die besten Wege, ein universelles System zur Klassifizierung von Gerüchen zu entwerfen.

Da digitale Olfaktion ein hochspezialisiertes und junges Feld ist, gibt es kaum börsennotierte Unternehmen, die direkt daran arbeiten. Dennoch gibt es einige, die Fortschritte in verwandten Technologien erzielen.

1. Thermo Fisher Scientific

Das Unternehmen Thermo Fisher Scientific (TMO ) mit einer Marktkapitalisierung von 211 Mrd. $ – dessen Aktien im Jahresverlauf um 3,95 % gestiegen sind und bei 551,74 $ gehandelt werden – kann durch sein GCMS‑System zur digitalen Olfaktion beitragen. Seine Lösungen sind für jeden Labor‑Workflow konzipiert.

Das Unternehmen hat ein EPS (TTM) von 15,95, ein KGV (TTM) von 34,60 und eine Dividendenrendite von 0,28 %. Für das 3. Quartal 2024 meldete einen Umsatz von 10,60 Mrd. $.

2. International Flavors & Fragrances

Dieses Unternehmen mit einer Marktkapitalisierung von 23,59 Mrd. $ arbeitet hauptsächlich an der Herstellung von Duftstoffen und Aromen, hat jedoch auch in Duft‑Innovations‑Technologien wie KI‑gestützte Duftkreation und sensorische Wahrnehmung investiert.

Das Unternehmen entwickelte vor vielen Jahren sein internes KI‑Tool und nutzt es zusammen mit Verbraucherdaten zur Wahrnehmung und Neurowissenschaften, um Düfte zu designen. „Wir begannen, ein umfassendes Verständnis für die Verbindung zwischen Geruch, Düften und Emotionen aufzubauen“, sagte Judith Gross, Vizepräsidentin für Kommunikation und Markenbildung, Duftabteilung bei IFF, und fügte hinzu, dass die Datenbank von einfachen Emotionen zu Farben und Texturen übergegangen sei.

Gleichzeitig ist seine Sensory Perception Technologie ein Mikroverkapselungs‑Abgabesystem für Textilien, das es ermöglicht, Duftstoffe über einen Zeitraum aus Kleidung und anderen Textilien freizusetzen.

Zum Zeitpunkt des Schreibens werden IFF‑Aktien bei 92,56 $ gehandelt, ein Anstieg von 14 % im Jahresverlauf, bei einem EPS (TTM) von -9,10, einem KGV (TTM) von -10,15 und einer Dividendenrendite von 1,73 %. Für das 3. Quartal 2024 meldete das Unternehmen einen Nettoumsatz von 2,93 Mrd. $ und einen operativen Cashflow von 702 Mio. $.

3. Alphabet (GOOGL )

Wie bereits erwähnt, hat die KI‑Innovation von Google eine Schlüsselrolle in Osmos Forschung zur digitalen Olfaktion gespielt. Angesichts des enormen Potenzials von KI bleibt die Technologie im Fokus des Technologieriesen, der während des 3. Quartals‑2024 Ergebnis‑Calls feststellte:

“Wir sind einzigartig positioniert, um in der Ära der KI zu führen, dank unseres differenzierten Full‑Stack‑Ansatzes zur KI‑Innovation, und wir sehen nun, dass dies in großem Maßstab funktioniert.”

Die KI‑Innovation bei Google umfasst eine robuste KI‑Infrastruktur, die Rechenzentren und Chips beinhaltet, Forschungsteams, die KI‑Forschung vorantreiben und Modelle bauen, sowie eine breite globale Reichweite über seine Produkte.

Für dieses Quartal meldete das Mutterunternehmen von Google einen Umsatz von 88,27 Mrd. $, ein Wachstum von 15 % gegenüber dem Vorjahr. Der Cloud‑Umsatz war besonders stark mit 11,35 Mrd. $, ein Anstieg von fast 35 % gegenüber dem Vorjahr, angetrieben durch KI‑Angebote.

Fazit

Bis jetzt war das Teilen von Gerüchen darauf beschränkt, unsere Erinnerung oder Erfahrung daran zu teilen. Die Digitalisierung von Gerüchen ermöglicht jedoch die tatsächliche Rekreation des Geruchs und hat damit das Potenzial, unzählige neue Möglichkeiten in verschiedenen Branchen zu erschließen, darunter Produktdesign, erweiterte Realität, Qualitätskontrolle und Gesundheitswesen.

Von der Schaffung nachhaltigerer Aromamoleküle für Alltagsprodukte bis hin zur Vorhersage von Molekülen, die Insekten abwehren, um durch Mücken übertragene Krankheiten wie Malaria zu verhindern, kann die Digitalisierung von Gerüchen dazu beitragen, unvergessliche Erlebnisse zu schaffen und die menschliche Gesundheit zu verbessern, und so eine bessere Zukunft für uns alle zu schaffen!

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