Gió không chỉ mang mùi — mà còn định hình cách chúng ta ngửi: Nghiên cứu mới từ CU Boulder mở ra hướng đột phá trong AI khứu giác

Con người tin tưởng dùng chó để tìm người mất tích và nhờ ong thụ phấn cho cây trồng, nhưng giới khoa học vẫn chưa thực sự hiểu hết cách những loài vật này dùng khứu giác siêu việt để xác định nguồn gốc của một mùi hương. Một nghiên cứu mới từ Đại học Colorado Boulder (CU Boulder) vừa hé lộ câu trả lời bất ngờ: chính cơn gió — hay cụ thể hơn là sự nhiễu loạn của không khí — đóng vai trò chủ chốt trong việc biến đổi tín hiệu mùi thành các dạng "mã" có hệ thống, giúp động vật dò đường đến nguồn phát. Phát hiện này không chỉ giải mã một bí ẩn sinh học lâu đời mà còn mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong việc phát triển các hệ thống điện tử mô phỏng khứu giác, từ robot tìm kiếm cứu nạn đến thiết bị phát hiện rò rỉ hóa chất nguy hiểm.

Cơn gió đã "viết lại" tín hiệu mùi như thế nào?

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí khoa học PRX Life, là kết quả hợp tác giữa các kỹ sư CU Boulder và Giáo sư khoa học thần kinh Jonathan Victor từ Đại học Weill Cornell Medical College. Nhóm nghiên cứu đã tiếp cận vấn đề theo một cách mới mẻ: thay vì phân tích nồng độ hóa chất đơn thuần, họ phân loại tín hiệu mùi dựa trên tần số mà chúng chứa — giống như cách con người nhận biết một bài hát qua các tần số âm thanh đặc trưng.

Elle Stark, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Khoa Kỹ thuật Dân dụng, Môi trường và Kiến trúc, tác giả chính của nghiên cứu, giải thích: Khi một luồng mùi di chuyển từ nguồn (ví dụ như một bông hoa Bergamot) ra xa trong không khí, các xoáy nhiễu loạn sẽ tác động lên luồng mùi theo ba cách cơ bản:

• Lọc bỏ một số tần số nhất định
• Khuếch tán các tần số khác sang vùng không gian mới
• Tạo ra các tần số hoàn toàn mới

Kết quả là khi luồng mùi đến được "mũi" của loài ong hay một con chó, tín hiệu nhận được không còn là một khối mùi tập trung mà là một chuỗi phức tạp gồm các "luồng mùi ngắn" xen kẽ với những khoảng không khí trống rỗng.

"Có thể có một luồng mùi bùng lên, một nhúm ngắn, rồi sau đó là không khí trống rỗng trong một khoảng thời gian, và động vật bằng cách nào đó vẫn hiểu được tất cả những điều đó để định hướng đến nguồn mùi," Stark mô tả.

Tần số mùi — chìa khóa để động vật định vị

John Crimaldi, giáo sư kỹ thuật, đồng tác giả nghiên cứu và là điều phối viên chính của mạng lưới nghiên cứu quốc tế Odor2Action, cho biết nhóm nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng động vật tận dụng chính những thay đổi tần số có hệ thống này để xác định khoảng cách và hướng đến nguồn mùi.

"Những biến đổi này rất có thể là các thành phần quan trọng trong cách động vật giải mã tín hiệu mùi để xác định khoảng cách và hướng đến nguồn mùi," Crimaldi nói.

Đây là một phần trong mạng lưới nghiên cứu Odor2Action — một sáng kiến hợp tác liên ngành quy tụ các nhà khoa học từ 16 tổ chức trên thế giới, nhằm giải quyết một bài toán cốt lõi trong khoa học thần kinh: làm thế nào động vật sử dụng mùi hương để điều khiển các hành vi tự nhiên.

Biến điều vô hình thành dữ liệu hữu hình

Một thách thức lớn khi nghiên cứu khứu giác là các luồng mùi là vô hình, khiến chúng khó quan sát và nghiên cứu hơn nhiều so với hình ảnh hay âm thanh. Nhóm của Crimaldi đã vượt qua rào cản này bằng cách kết hợp hai phương pháp tiên tiến: mô phỏng máy tính và thí nghiệm thực tế trong phòng thí nghiệm.

Trong các thí nghiệm, nhóm nghiên cứu tạo ra các luồng mùi thực tế trong một đường hầm gió, sau đó chiếu tia laser vào chúng để làm cho mùi "hiện hình" giống như một cột khói xoáy lên trong không trung. Kỹ thuật này không chỉ giúp hình ảnh hóa luồng mùi mà còn cho phép chuyển đổi hình ảnh thành các bộ dữ liệu định lượng, từ đó soi sáng động lực học phức tạp bên trong các luồng khói mùi.

Nhờ phương pháp này, các nhà khoa học có thể đo lường chi tiết cách không khí và mùi di chuyển cùng nhau trong một luồng khói, cung cấp nền tảng dữ liệu vững chắc cho các nghiên cứu về cơ chế điều hướng bằng khứu giác.

Thí nghiệm dùng laser để hiển thị luồng mùi vô hình trong đường hầm gió

Từ sinh học đến công nghệ: Mở ra tương lai cho "mũi điện tử"

Stark và Crimaldi nhấn mạnh rằng việc hiểu cách gió biến đổi tín hiệu mùi mới chỉ là một bước trong toàn bộ quá trình cảm nhận. Động vật tham gia vào cái gọi là "cảm nhận chủ động" — chúng di chuyển xuyên qua luồng mùi, rung ăng-ten (ở côn trùng), hít thở liên tục hoặc thực hiện các hành vi khác để điều chỉnh tín hiệu trước khi thông tin được xử lý trong não.

"Nghiên cứu trong tương lai có thể phân tích cách mỗi bước trong quy trình biến đổi tín hiệu mùi, và từ đó chúng ta có thể hiểu cách động vật sử dụng chúng để điều hướng," Stark cho biết.

Mục tiêu cuối cùng của nhóm nghiên cứu là phát triển các hệ thống nhân tạo có khả năng không chỉ phát hiện mùi mà còn xác định được nguồn gốc của mùi. Các "mũi điện tử" (electronic nose) hiện nay có thể nhận biết sự hiện diện của một hóa chất cụ thể, nhưng gần như không thể xác định nó xuất phát từ đâu.

Nghiên cứu này đặc biệt có ý nghĩa trong bối cảnh Việt Nam đang đẩy mạnh ứng dụng công nghệ trong phòng chống thiên tai, tìm kiếm cứu nạn và giám sát môi trường. Một hệ thống dựa trên nguyên lý "điều hướng mùi" có thể hỗ trợ robot tìm kiếm nạn nhân trong các vụ sạt lở đất, hoặc phát hiện sớm và định vị các điểm rò rỉ khí gas, hóa chất tại các khu công nghiệp — nơi mà việc xác định nguồn nhanh chóng có thể cứu sống nhiều người.

"Nghiên cứu của chúng tôi gợi ý rằng vào thời điểm một mùi đến được một con vật, luồng không khí đã biến đổi tín hiệu đó," Crimaldi nói. "Thách thức tiếp theo là hiểu được cách hệ thống thần kinh tận dụng thông tin đã được biến đổi đó."

Nhóm nghiên cứu hy vọng rằng bằng cách hiểu rõ từng giai đoạn của quá trình chuyển đổi tín hiệu mùi, họ có thể sớm tạo ra các công nghệ bắt chước được khả năng điều hướng khứu giác đáng kinh ngạc mà tự nhiên đã hoàn thiện qua hàng triệu năm tiến hóa.