調查顯示，大多數人認為嗅覺是他們最不重要的感官。然而，狗是用鼻子來感知世界的。人類已經利用動物的嗅覺靈敏度來檢測違禁品和爆炸物。最近，它也被證明在感知癌症、糖尿病，甚至 COVID-19 方面非常有效。狗如何檢測疾病仍然是一個謎，但這並沒有阻止研究人員用基於人工智慧的非侵入性診斷工具來模仿這種能力。
在二月份發表於 PLOS ONE 的一項研究中，一個跨國團隊報告了一個人工智慧驅動的系統，它在從尿液樣本中正確識別前列腺癌病例方面與訓練有素的狗一樣準確。麻省理工學院研究科學家安德烈亞斯·默辛是該研究的共同作者之一，他希望最終將該技術整合到智慧手機中：手機中會有一個微型感測器，人工智慧軟體在雲端執行。“我們發現，我們可以重複在機器上對狗進行的訓練，直到我們無法區分兩者之間的差異，”他說。
前列腺癌是全球男性第二大致命癌症，眾所周知，它很難被檢測到。最廣泛使用的測試是檢查前列腺特異性抗原（一種血液中的蛋白質）的高水平，它容易出現假陽性結果，並且會遺漏 15% 的癌症。另一方面，訓練有素的狗在 2015 年發表於《泌尿外科雜誌》的一項研究中，從尿液樣本中識別前列腺癌患者的準確率超過 96%。
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然而，狗會感到無聊和疲倦，因此研究人員希望開發一種工作更穩定的的人工系統。難題是，沒有人確切知道狗聞到的是什麼。
活細胞會產生一系列化學物質，這些化學物質從皮膚、血液、尿液和呼吸中散發出來。包括默辛和他的同事開發的“奈米鼻子”在內的人工鼻子已經可以像狗一樣以十億分之幾的濃度檢測到這些化學物質。但是，單一化合物甚至一組化合物並不一定表示存在癌症。相反，狗透過識別化學混合物中的複雜模式來識別癌症陽性或陰性的樣本。“知道某種東西聞起來像什麼，並不意味著知道它是由什麼製成的，”默辛說。“[狗]並沒有檢測到單個分子或一堆分子。它們是對某種感覺做出反應。我們訓練它們的特徵存在於感知空間中。”換句話說，它存在於大腦中。
該團隊在化學感測中增加了一個人工神經網路——一種人工智慧演算法，可以透過觀察例子來學習如何識別面部，例如。英國組織 Medical Detection Dogs 的執行長克萊爾·蓋斯特和她的團隊首先訓練了一隻拉布拉多犬和一隻粗毛維茲拉犬來識別前列腺癌陽性和陰性患者的尿液樣本。然後，他們訓練神經網路來模仿狗。
作為第二步的一部分，該團隊透過氣相色譜-質譜儀對每個樣本進行了分析，這是一種化學分析技術，可以提供化合物的分子級分解。原始資料被輸入到人工智慧中，經過訓練後，人工智慧能夠識別出 71% 的陽性病例和 70% 到 76% 的陰性病例，其準確率與狗大致相當。研究合著者兼人工智慧專家、公司 Imagination Engines 的總裁兼執行長斯蒂芬·塔勒說，人工智慧專注於與狗的診斷相關的關鍵資料特徵和模式。“你向網路展示健康尿液色譜圖的例子，它會形成一個正常模型，”他說。“然後，當你輸入病理樣本時，它會向你展示異常之處。”
杜克大學分子遺傳學和微生物學教授 Hiroaki Matsunami（他沒有參與這項研究）表示，這是揭示狗檢測癌症的方法邁出的重要第一步。“作為科學家，我們想解釋這種現象，”他說。“這種方法使黑匣子不再那麼模糊。”但他指出，如果目標是診斷前列腺癌，其準確率仍然很低。
蓋斯特說，人工智慧系統的低準確率（僅與狗一樣好）源於用於訓練動物的樣本數量較少。但正如 2015 年《泌尿外科雜誌》的研究表明，狗可以被訓練達到 96% 以上的準確率，默辛說，人工智慧也可以被訓練達到同樣的準確率。“只要狗能做到的，我們就能讓裝置做到。”
他所說的裝置是指他的實驗室製造的奈米鼻子感測器，該感測器使用嗅覺蛋白，透過與氣味分子結合來幫助人類和齧齒動物聞到氣味。默辛計劃使用來自奈米鼻子的資料訓練人工智慧演算法，該感測器目前只有 iPhone 10 的三分之一大小，並且可以進一步縮小以整合到智慧手機中。“該演算法與你輸入的資料無關，”他說，因此它應該能夠檢測出狗可以檢測到的任何疾病。
這些疾病可能包括 COVID-19。早期的初步努力表明，可以訓練狗嗅出 COVID 感染。“似乎有證據表明，COVID 患者可能會以微量水平釋放氨氣，而狗可以嗅到，”羅德島大學化學工程教授奧托·格雷戈裡說，他開發了極其靈敏的爆炸物檢測電子鼻。格雷戈裡（他沒有參與這項研究）和他的團隊現在正在調整感測器，以檢測呼吸中微量的氨氣，其濃度可能會以十億分之幾的水平變化。他說，將這種化學檢測技術與基於人工智慧的模式識別相結合，像我們四條腿的朋友一樣識別疾病將非常有吸引力。