Osmo: Ứng dụng AI để tìm kiếm những mùi hương mới

Alex Wiltschko mở một chiếc vali nhựa màu đen và lấy ra khoảng 60 lọ thuỷ tinh. Mỗi lọ chứa một mùi hương riêng biệt. Một loại có hương hoa mềm mại tựa như mùi gạo lài thơm. Một lọ khác gợi nhớ đến hương vị đại dương và phần cùi trắng của trái dưa hấu. Một lọ hệt như mùi nghệ tây thoang thoảng hương da thuộc và trà đen. Kế đến là hương cay nồng của lá sung, gỗ hoàng dương và húng quế. Và không thể bỏ qua một lọ có mùi hương của ớt Thái nhưng lại không nồng đậm.

Các phân tử bay vào mũi mang đến một mùi hương kỳ lạ mà ta chưa từng ngửi thấy trước đây. Trên thực tế, rất ít người đã từng ngửi thấy chúng. Điều bất ngờ là trước khi những hương thơm này được chiết xuất, đã có một mô hình máy tính dự đoán chúng sẽ có mùi như thế nào đối với chúng ta.

Wiltschko bị ám ảnh bởi mùi hương từ khi còn là một thiếu niên, và trong vài năm qua, anh ấy đã phát triển một phần mềm tại Google Research để dự đoán mùi hương của các phân tử - chỉ dựa trên cấu trúc của chúng. Những chiếc lọ mà anh ấy cất giữ trong vali là nền tảng để anh ấy thành lập nên công ty khởi nghiệp Osmo - một công ty spin-off của Google Research có trụ sở tại Cambridge, Massachusetts. Với 60 triệu USD trong vòng tài trợ ban đầu do Lux Capital và GV (Google Ventures) dẫn đầu, Osmo đặt mục tiêu tạo ra thế hệ phân tử hương thơm tiếp theo cho nước hoa, dầu gội đầu, kem dưỡng da, nến và các sản phẩm hằng ngày khác.

Ngành công nghiệp nước hoa toàn cầu trị giá 30 tỷ USD phụ thuộc vào các nguyên liệu thô ít ỏi. Nguồn cung cấp hoa phổ biến trong sản xuất nước hoa đang cạn kiệt do thời tiết khắc nghiệt vì biến đổi khí hậu. Các loài thực vật như cây gỗ đàn hương đang bị đe dọa do khai thác quá mức. Chuỗi cung ứng các nguyên liệu khác như nghệ tây hoặc cỏ hương bài (vetiver) thường bị gián đoạn do bất ổn địa chính trị. Một số thương hiệu vẫn sử dụng xạ hương và các mùi khác có nguồn gốc từ động vật, điều này khơi nên những tranh cãi về đạo đức, bởi nó đồng nghĩa với việc con vật sẽ bị bắt hoặc bị giết. Trong khi đó, một số lựa chọn thay thế tổng hợp, chẳng hạn như lilial, có mùi giống như hoa huệ tây, đang phải đối mặt với lệnh cấm theo quy định vì lý do an toàn sức khỏe.

Từ lâu, các nhà hóa học tại các công ty nước hoa đã nỗ lực tìm kiếm cách tái tạo một số hương liệu tự nhiên, nhưng đó vẫn là một quy trình thiên về thủ công và nhiều mùi hương không có chất thay thế tổng hợp. “Chúng ta cần phải tìm ra phương án thay thế. Nếu không, chúng ta sẽ phải tiếp tục tạo ra mùi hương từ những loài thực vật và động vật quan trọng trong hệ sinh thái,” Wiltschko, đồng sáng lập kiêm Giám đốc điều hành của Osmo, người đứng đầu nhóm khứu giác kỹ thuật số khi còn làm việc tại Google Research, cho biết. “Tôi muốn tìm ra các thành phần an toàn, bền vững để tái tạo hương thơm mà không phương hại đến sự sống của bất kỳ loài nào.”

Trong thời gian tới, công ty dự định thiết kế các phân tử cho ngành công nghiệp hương vị và nước hoa không gây dị ứng, có thể phân hủy sinh học. “Chúng tôi coi Osmo là một mô hình kinh doanh thiết kế hợp lý, nơi chúng tôi thiết kế các hoá chất để đáp ứng nhu cầu sở hữu một mùi thơm đặc trưng của người dân, sau đó cũng tương tự như công việc thiết kế một loại thuốc trong công ty công nghệ sinh học hoặc dược phẩm, chúng tôi sẽ xin cấp phép cho sản xuất của mình,” chuyên gia Josh Wolfe, quản lý tại Lux Capital và là đồng sáng lập Osmo, mô tả quá trình. Về lâu dài, công ty muốn cung cấp cho máy tính cảm giác về mùi - để “số hóa” mùi hương - mặc dù khái niệm đó còn rất lâu mới thành hiện thực, và các nhà khoa học hiện phải đối mặt với một số trở ngại về kỹ thuật.

Joel Mainland, nhà thần kinh học khứu giác tại Trung tâm giác quan hóa học Monell ở Philadelphia, người đã cộng tác với nhóm khứu giác của Wiltschko tại Google Research nhưng không tham gia vào Osmo, cho biết hệ thống khứu giác phức tạp hơn các giác quan khác rất nhiều, vì vậy có nhiều vấn đề hiện nay khoa học chưa thể lý giải.

Khả năng phát hiện mùi - bánh mì nướng, cỏ sau mưa, khói thuốc lá hoặc nước hoa của người bên cạnh - bắt đầu khi các phân tử mùi hương này bay trong không khí, đi vào mũi bạn và liên kết với các cơ quan thụ cảm mùi, cơ quan này chuyển thông tin đến não thông qua thần kinh khứu giác. Mũi người có khoảng 400 loại thụ thể hoặc protein cảm biến đặc biệt.

Sự phức tạp đó khiến việc phân loại mùi hương trở nên khó khăn hơn so với các trải nghiệm tri giác khác. Màu sắc có thể được biểu thị bằng một dải màu được gọi là vòng thuần sắc, còn âm thanh được nhận diện theo tần số sóng của chúng. Không có gì tương tự tồn tại cho mùi. “Ngay bây giờ, chúng tôi cần tìm ra cách để hiểu các mùi có liên quan với nhau như thế nào,” Mainland nói.

Vì vậy, nhóm của Wiltschko đã làm việc để xây dựng “bản đồ mùi ” - một cách phân loại mùi hương để các phân tử có mùi giống nhau được nhóm lại với nhau. Nhưng thay vì dựa vào mũi người để phân biệt, họ đã sử dụng trí tuệ nhân tạo.

Trước tiên, họ cung cấp cho phần mềm máy học một bộ dữ liệu gồm 5.000 phân tử mùi hương có sẵn từ các danh mục mùi hương — tất cả các mùi thường được mô tả cặn kẽ. Ví dụ, mùi trái cây, bơ, gỗ. Dần dần, phần mềm bắt đầu ghi nhận mối liên hệ giữa cấu trúc hóa học của từng phân tử mùi và cách con người mô tả nó, xây dựng bản đồ mùi, phân nhóm các phân tử dựa trên những đặc điểm này. “Nghe có vẻ là một vấn đề đơn giản, nhưng những thay đổi nhỏ trong cấu trúc phân tử có thể chuyển nó từ mùi hoa hồng sang mùi trứng thối. Các liên kết hóa học hoặc số nguyên tử carbon trong một phân tử có thể ảnh hưởng đến mùi của nó”, Wiltschko nói.

Sau đó, họ cung cấp cho phần mềm một bộ dữ liệu bí ẩn hơn để phân tích: 400 phân tử đã được các nhà khoa học thiết kế nhưng chưa bao giờ được tạo ra, vì vậy họ không biết mùi của chúng như thế nào để mô tả. Họ yêu cầu mô hình dự đoán mỗi phân tử sẽ có mùi như thế nào đối với con người - chỉ dựa trên cấu trúc của nó.

Để kiểm tra những dự đoán này, Mainland và các đồng nghiệp của ông tại Monell đã yêu cầu một nhóm gồm 15 tình nguyện viên ngửi từng mùi và gán cho chúng các nhãn: mùi hoa, mùi bạc hà, mùi khói, v.v. Các tình nguyện viên không phải lúc nào cũng có cùng cảm nhận với nhau, điều này khá dễ hiểu khi khứu giác mang tính chủ quan hơn nhiều giác quan khác; tuy nhiên mô hình vẫn dự đoán đúng cảm nhận trung bình của nhóm tình nguyện viên về 53% trong số các hương thơm - cao hơn so với dự đoán riêng của bất kỳ tình nguyện viên nào.

Wiltschko cho biết nhóm nghiên cứu coi đó là một thành công, mặc dù hệ thống này có một số hạn chế. Ví dụ, hai phân tử có thể là hình ảnh phản chiếu của nhau nhưng có mùi khác nhau. “Các mùi không phải lúc nào cũng khác nhau hoàn toàn, nhưng chúng khác nhau một cách tinh tế và mạng lưới thần kinh của chúng ta hoàn toàn mù tịt về điều đó”, ông nói. Nhóm đã công bố những phát hiện của mình trên bioRxiv vào tháng 9 và bài báo hiện đang được một tạp chí khoa học bình duyệt. Osmo cũng đang đàm phán tích cực với một số công ty nước hoa để xin cấp phép và thương mại hoá một số mùi hương do họ tạo ra.

Christophe Laudamiel, một bậc thầy điều chế nước hoa người Pháp, cố vấn cho công ty, cho biết một số mùi hương mới lạ có khả năng thương mại cao hơn những mùi hương khác. (Theo International Flavors & Fragrances có trụ sở tại New York, một trong những công ty lớn chuyên pha chế các mùi hương mới, trên thế giới chỉ có 600 chuyên gia nước hoa). Chẳng hạn, có rất ít phân tử có mùi đại dương, vì vậy một mùi hương khơi gợi cảm giác đứng trước biển cả sẽ rất được ưa chuộng. Anh ấy không chắc ngành công nghiệp nước hoa sẽ sử dụng ớt như thế nào, nhưng anh ấy cho rằng có thể sử dụng nó làm hương liệu thực phẩm.

“Ngành công nghiệp này rất nhỏ và chỉ có một số công ty bắt tay vào việc tìm kiếm các phân tử mới”, ông nhận định. “Việc tìm ra một phân tử mới với mùi hương mới đòi hỏi nhiều may mắn.”

Song song với đó, tỷ lệ thất bại của việc tìm kiếm mùi hương mới cũng rất cao. Những phân tử đó không chỉ có mùi thơm mà còn phải an toàn và có thể phân hủy sinh học. Các công ty thường phải thử nghiệm hàng nghìn phân tử mỗi năm chỉ để đưa một số ít ra thị trường đáp ứng tất cả các yêu cầu này. Khi Wiltschko gửi cho Laudamiel các phân tử mà Osmo đã tạo ra, Laudamiel đã thốt lên: “Anh đã tìm ra được phương án thay thế cho các thành phần trong nước hoa!”

Không chỉ gói gọn trong việc tạo ra các hương thơm mới cho nước hoa, Wiltschko nghĩ rằng công nghệ của Osmo còn có thể tạo ra một loại thuốc chống muỗi tốt hơn.

Theo Tổ chức Y tế Thế giới , các bệnh do muỗi truyền như sốt rét và sốt xuất huyết là nguyên nhân gây ra hơn 700.000 ca tử vong hằng năm. Muỗi cái hút máu người bị thu hút bởi mùi da thịt. Các loại thuốc như DEET được coi là tiêu chuẩn vàng trong việc quấy nhiễu các tín hiệu khứu giác của muỗi, ngăn chúng tìm mục tiêu tiếp theo.

Nhưng DEET có một số nhược điểm. Nó phải được sử dụng ở nồng độ cao, nó có thể phân hủy nhựa và gây kích ứng da. Chris Potter, nhà thần kinh học tại Johns Hopkins, người nghiên cứu hệ thống khứu giác của muỗi, cho biết có thể muỗi sẽ phát triển khả năng kháng DEET cũng như các hóa chất khác. “Tôi nghĩ rằng việc tìm kiếm thêm các loại thuốc đuổi côn trùng hoàn toàn hợp lý", ông cho biết. “Chúng ta luôn cần phương án thay thế”.

Wiltschko và nhóm của anh tại Google nghĩ rằng họ có thể sử dụng hệ thống máy học của mình để tìm ra loại thuốc mới. Đầu tiên, họ cần một tập dữ liệu lớn về các phân tử mùi hương để có thể huấn luyện mô hình của mình nhận ra mối tương quan giữa cấu trúc của hợp chất, từ đó thiết kế nên một chất xua đuổi hiệu quả. Song họ chỉ có thể tìm thấy vài chục loại thuốc đuổi muỗi được mô tả trong các tài liệu khoa học gần đây. Vì vậy, Wiltschko đã xem xét một báo cáo của chính phủ Hoa Kỳ từ những năm 1940, khi các nhà khoa học kiểm tra hiệu quả của khoảng 19.000 hợp chất. Các nhà khoa học lúc bấy giờ đã xếp hạng các hợp chất này theo mức độ hiệu quả của chúng, từ đó dẫn đến việc phát hiện ra DEET. Wiltschko và các đồng nghiệp đã số hóa tập dữ liệu, sau đó dùng chúng vào việc huấn luyện các thuật toán.

Tương tự như thí nghiệm về hương thơm, họ đã cung cấp cho mô hình của mình 400 phân tử mới, sau đó yêu cầu mô hình dự đoán phân tử nào sẽ hoạt động hiệu quả dựa trên cấu trúc hóa học của mỗi loại. Từ đó, họ đã chọn ra 317 phân tử để sàng lọc bằng xét nghiệm tiêu chuẩn trong phòng thí nghiệm. Kết quả, hơn 10 phân tử trong số chúng có khả năng xua đuổi muỗi tương đương hoặc tốt hơn DEET và các hóa chất khác hiện đang được sử dụng.

Nhóm đã công bố những phát hiện của mình trên bioRxiv, nhưng bài báo vẫn chưa được bình duyệt. Tiếp theo, Wiltschko cho biết Osmo có kế hoạch kiểm tra độ an toàn của các phân tử đó trên da và khả năng phân hủy sinh học của chúng.

Wiltschko và Wolfe xem các phân tử mùi hương để tạo nên nước hoa đặc chế và chất xua đuổi muỗi chỉ là bước khởi đầu cho một mục tiêu lớn lao và xa hơn: cung cấp cho máy tính cảm giác về mùi. Họ cho rằng một ngày nào đó, AI có thể nhận dạng mùi hương, phân tích cấu trúc của chúng và số hoá để lưu giữ - bởi với nhiều người, mùi hương có thể khơi gợi nên những ký ức đặc biệt.