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Nov 27, 2023

Cette startup utilise l'IA pour dénicher de nouvelles odeurs

Emily Mullin Alex Wiltschko ouvre une valise en plastique noir et en sort

Emilie Mullin

Alex Wiltschko ouvre une valise en plastique noir et en sort une soixantaine de flacons en verre. Chacun contient un parfum différent. On sent le féculent avec de douces notes florales, comme la cuisson du riz au jasmin. Un autre évoque l'air marin et l'écorce blanche d'une pastèque. L'un est comme le safran avec des notes de cuir et de thé noir. Vient ensuite l'arôme piquant des feuilles de figuier, du buis et du basilic. Le plus surprenant a la saveur d'un piment thaïlandais sans la chaleur brûlante des narines.

Les molécules qui flottent dans mon nez ne ressemblent en rien à ce que j'ai jamais senti auparavant. En fait, je suis l'une des rares personnes à les avoir jamais sentis. Et pourtant, avant que personne ne les ait reniflés, un modèle informatique a prédit leur odeur pour nous.

Wiltschko est obsédé par les odeurs depuis son adolescence et, depuis plusieurs années, il développe un logiciel chez Google Research pour prédire l'odeur des molécules en se basant uniquement sur leur structure. Les flacons qu'il m'a invité à sentir sont à la base de sa nouvelle startup, Osmo, une spin-out de Google Research basée à Cambridge, Massachusetts. Avec 60 millions de dollars lors d'un premier cycle de financement mené par Lux Capital et GV (Google Ventures), basés à New York, Osmo vise à créer la prochaine génération de molécules aromatiques pour les parfums, les shampooings, les lotions, les bougies et d'autres produits de tous les jours.

L'industrie mondiale des parfums, d'une valeur de 30 milliards de dollars, dépend d'ingrédients bruts dont l'approvisionnement devient de plus en plus difficile ou controversé. Les approvisionnements en fleurs populaires en parfumerie diminuent en raison des conditions météorologiques extrêmes entraînées par le changement climatique. Des espèces comme les arbres de bois de santal sont menacées par la surexploitation. D'autres ingrédients, comme le safran ou le vétiver, sont vulnérables aux perturbations de la chaîne d'approvisionnement en raison des troubles géopolitiques. Certaines marques utilisent encore du musc et d'autres odeurs provenant d'animaux, ce qui pose des problèmes éthiques, car cela signifie qu'ils doivent être capturés ou tués. Pendant ce temps, certaines alternatives synthétiques, comme le lilial, qui sent le muguet, font face à des interdictions réglementaires pour des raisons de sécurité.

Les chimistes des entreprises de parfumerie ont découvert comment reproduire certains arômes naturels, mais il s'agit encore d'un processus largement manuel et de nombreux parfums n'ont pas de substituts synthétiques. "Nous devons construire des remplacements. Sinon, nous allons devoir continuer à récolter ces plantes et ces animaux de notre écosystème", déclare Wiltschko, cofondateur et PDG d'Osmo, qui dirigeait l'équipe d'olfaction numérique lorsqu'il était chez Google Research. "Il existe une énorme opportunité de créer des ingrédients sûrs, durables et renouvelables qui ne nécessitent pas que nous récoltions la vie."

À court terme, la société souhaite concevoir des molécules pour l'industrie des arômes et des parfums qui soient puissantes, sans allergènes et biodégradables. "Nous voyons Osmo comme un modèle commercial de conception rationnelle où les gens veulent une odeur très spécifique et nous concevons les produits chimiques, tout comme vous concevriez un médicament dans une société biotechnologique ou pharmaceutique, puis pourriez les licencier", déclare Josh Wolfe, associé directeur chez Lux Capital et cofondateur d'Osmo. À long terme, l'entreprise souhaite doter les ordinateurs d'un sens de l'odorat - pour "numériser" l'odeur - bien que ce concept soit moins avancé et soit confronté à des défis techniques difficiles.

Lauren Goode

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Julien Chokkattu

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Le système olfactif n'est pas aussi bien compris que nos autres sens, mais c'est sans doute parce qu'il est sans doute plus complexe, explique Joel Mainland, un neuroscientifique olfactif au Monell Chemical Senses Center de Philadelphie qui a collaboré avec l'équipe d'olfaction de Wiltschko chez Google Research mais n'est pas impliqué dans Osmo.

La capacité à détecter les odeurs (cuisson du pain, herbe après la pluie, fumée de cigarette ou parfum de votre grand-mère) commence lorsque ces molécules odorantes flottent dans l'air, pénètrent dans votre nez et se lient aux récepteurs d'odeurs, qui transmettent les informations au cerveau via le nerf olfactif. Le nez humain possède environ 400 types de récepteurs, ou protéines sensorielles spéciales. En comparaison, l'œil utilise trois types pour produire la vision, et nous goûtons avec environ 40 types de récepteurs.

Cette complexité rend plus difficile la catégorisation des odeurs que d'autres expériences perceptuelles. La couleur peut être représentée par un dégradé connu sous le nom de roue chromatique et les sons par la fréquence de leurs ondes. Rien de semblable n'existe pour les odeurs. "En ce moment, nous avons besoin d'un moyen de comprendre comment les odeurs sont liées les unes aux autres", déclare Mainland. "Nous n'avons pas une bonne façon d'organiser les odeurs."

L'équipe Google de Wiltschko a donc travaillé pour construire ce qu'ils appellent une "carte des odeurs" - une façon de catégoriser les parfums afin que les molécules qui sentent la même chose soient regroupées. Mais au lieu de se fier au nez humain pour faire ces distinctions, ils ont utilisé l'intelligence artificielle.

Ils ont commencé par alimenter un logiciel d'apprentissage automatique avec un ensemble de données de 5 000 molécules olfactives disponibles dans les catalogues de parfums, toutes des odeurs couramment utilisées et bien décrites. Par exemple, la senteur est-elle fruitée, beurrée, boisée ? À partir de cet ensemble de formation, le logiciel a commencé à noter les associations entre la structure chimique de chaque molécule d'odeur et la façon dont un humain la décrirait, en construisant une carte d'odeurs de grande dimension qui regroupait les molécules en fonction de ces caractéristiques. "Cela ressemble à un problème simple, mais de petits changements dans la structure d'une molécule peuvent la faire passer d'une odeur de roses à des œufs pourris", explique Wiltschko. Par exemple, les liaisons chimiques ou le nombre d'atomes de carbone dans une molécule peuvent affecter son odeur.

Ensuite, ils ont donné au logiciel un ensemble de données plus mystérieux à analyser : 400 molécules qui avaient été conçues par des scientifiques mais jamais produites, de sorte que leurs odeurs sont restées non décrites. Ils ont demandé au modèle de prédire l'odeur de chaque molécule pour les gens, en se basant uniquement sur sa structure.

Pour tester la cohérence de ces prédictions, Mainland et ses collègues de Monell ont demandé à un panel de 15 volontaires de renifler chaque odeur et de lui attribuer des étiquettes : florale, mentholée, fumée, etc. Les panélistes n'étaient pas toujours d'accord les uns avec les autres; l'olfaction est plus subjective que beaucoup d'autres sens. Mais pour 53% des parfums, les prédictions du modèle étaient plus proches de la moyenne du panel que de n'importe quel volontaire.

L'équipe a considéré qu'il s'agissait d'un succès, bien que le système ait certaines limites, dit Wiltschko. Par exemple, deux molécules peuvent être des images miroir l'une de l'autre mais avoir une odeur différente. "Les odeurs ne sont pas toujours radicalement différentes, mais elles sont subtilement différentes, et notre réseau neuronal est complètement aveugle à cela", dit-il.

Lauren Goode

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L'équipe a publié ses conclusions sur le serveur de préimpression bioRxiv en septembre, et l'article est actuellement évalué par des pairs dans une revue scientifique.

"Une chose que nous voulons faire dans la science olfactive est de comprendre comment les humains perçoivent les odeurs", explique Krishnan Padmanabhan, neuroscientifique olfactif à la faculté de médecine de l'Université de Rochester qui n'est pas impliqué dans Osmo. Il dit que la carte des odeurs du groupe indique un moyen de le faire. "C'est vraiment frappant ce qu'ils ont pu accomplir."

Les flacons en verre que Wiltschko m'a fait sentir contenaient les mêmes parfums que les panélistes de Monell avaient reniflés. Il dit qu'Osmo est en pourparlers actifs avec plusieurs sociétés de parfums pour obtenir une licence pour certaines d'entre elles.

Certains nouveaux parfums sont plus viables commercialement que d'autres, explique Christophe Laudamiel, un maître parfumeur français qui sert de conseiller à l'entreprise et qui m'a guidé sur Zoom pendant que je sentais les différentes odeurs. (Il n'y a que 600 parfumeurs dans le monde, selon International Flavors & Fragrances, basé à New York, l'une des principales entreprises qui concocte de nouveaux parfums.) Par exemple, il y a très peu de molécules disponibles qui sentent l'océan, dit Laudamiel, donc un nouveau parfum marin serait hautement souhaitable. Il ne sait pas comment l'industrie des parfums utiliserait le piment, mais il pourrait le voir être utilisé pour aromatiser les aliments.

"L'industrie est très petite, et il n'y a que quelques entreprises qui se sont lancées dans la recherche de nouvelles molécules", dit-il. "Il faut beaucoup de sérendipité pour trouver une nouvelle molécule avec un nouveau parfum."

Et le taux d'échec est élevé. Non seulement ces molécules doivent sentir bon, mais elles doivent également être sûres et biodégradables. Les entreprises peuvent tester un millier de molécules par an pour n'en commercialiser que quelques-unes qui cochent toutes ces cases. Lorsque Wiltschko lui a envoyé les molécules qu'Osmo avait créées, Laudamiel a déclaré: "Vous réalisez que vous avez créé un univers alternatif d'ingrédients de parfum."

Il y a un autre problème que Wiltschko pense que la technologie d'Osmo peut résoudre : créer un meilleur anti-moustique.

Les maladies transmises par les moustiques comme le paludisme et la dengue sont responsables de plus de 700 000 décès par an, selon l'Organisation mondiale de la santé. Les moustiques femelles se nourrissent de sang humain et sont attirées par l'odeur de la peau. La plupart des répulsifs chimiques, y compris le DEET, qui est considéré comme l'étalon-or, fonctionnent en confondant les signaux olfactifs des moustiques, les empêchant de trouver leur prochaine cible.

Mais le DEET a quelques inconvénients. Il doit être utilisé à des concentrations élevées, il peut dégrader le plastique et provoquer des irritations cutanées. Il est également possible que les moustiques développent une résistance au DEET, comme à d'autres produits chimiques, explique Chris Potter, neuroscientifique à Johns Hopkins qui étudie le système olfactif des moustiques. "Je pense qu'il y a une bonne raison de chercher des répulsifs supplémentaires", déclare Potter, qui n'est pas impliqué avec Osmo. "Nous avons toujours besoin d'avoir une sauvegarde." En 2020, l'Agence de protection de l'environnement a approuvé le premier nouveau répulsif en 11 ans - un produit chimique naturel appelé nootkatone, qui donne au pamplemousse son parfum caractéristique. Mais Wiltschko et son équipe chez Google ont pensé qu'ils pourraient utiliser leur système d'apprentissage automatique pour en trouver de nouveaux. Tout d'abord, ils avaient besoin d'un grand ensemble de données sur les molécules odorantes afin de pouvoir entraîner leur modèle à reconnaître les corrélations entre la structure d'un composé et son efficacité en tant que répulsif. Mais ils n'ont pu trouver que quelques dizaines de produits anti-moustiques décrits dans la littérature scientifique récente. Wiltschko a donc retrouvé un rapport du gouvernement américain des années 1940, lorsque les scientifiques ont testé environ 19 000 composés pour leur efficacité. Cet effort a classé ces composés en fonction de leur efficacité et a conduit à la découverte du DEET. Wiltschko et son équipe ont numérisé l'ensemble de données, puis ont formé leurs algorithmes dessus.

Lauren Goode

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Comme ils l'avaient fait dans l'expérience sur les parfums, ils ont fourni à leur modèle 400 nouvelles molécules dont la répulsion n'avait pas été testée. Dans ce cas, ils ont demandé au modèle de prédire ce qui fonctionnerait, en se basant uniquement sur la structure chimique de chacun. Parmi ceux-ci, ils en ont choisi 317 pour le dépistage avec un test de laboratoire standard. Il a montré que plus de 10 d'entre eux avaient une répulsion similaire ou supérieure au DEET et aux autres produits chimiques actuellement utilisés.

L'équipe a publié ses conclusions dans une préimpression sur bioRxiv, mais l'article n'a pas encore été évalué par des pairs. Ensuite, Wiltschko dit qu'Osmo prévoit de tester ces molécules pour la sécurité cutanée et la biodégradabilité.

Potter est impressionné par la méthode de l'équipe. "Cela a libéré ces données sur lesquelles nous étions assis depuis si longtemps", dit-il. "Nous avons maintenant cette excellente liste sur laquelle travailler. Cela vaut la peine d'examiner de plus près ces produits chimiques."

Pour Wiltschko et Wolfe, les molécules odorantes sur mesure et les nouveaux répulsifs ne sont qu'un début. Ils ont pour mission de donner aux ordinateurs un sens de l'odorat. Ils pensent que l'IA peut nous rapprocher de l'olfaction numérique en prédisant à quoi ressemblent les odeurs et comment elles se rapportent à d'autres parfums. "La vision à long terme est" Shazam "pour l'odorat", comme le dit Wolfe. Tout comme vous pouvez utiliser une application pour identifier la chanson qui passe à la radio, Wolfe pense que vous devriez pouvoir capturer, enregistrer et transmettre des parfums avec votre téléphone.

Mais c'est un problème difficile. Bien qu'un téléphone soit conçu pour transmettre du son, il n'est pas conçu pour transmettre des produits chimiques. Un tel appareil devrait collecter des molécules odorantes, les convertir en une signature numérique et transmettre le signal au téléphone ou à l'ordinateur de quelqu'un d'autre où il serait décodé. Ensuite, ils auraient besoin d'une sorte de dispositif libérant des produits chimiques pour reconvertir ce signal en une odeur inhalable.

Et Osmo n'a pas encore donné de détails sur la façon dont il aborderait la numérisation des odeurs, bien que Wiltschko ait exposé l'idée de base. « Vous avez besoin de trois parties : un capteur, une carte et une imprimante. Le capteur prend le monde physique et convertit les atomes en bits. La carte vous aide à interpréter, stocker, compresser et transmettre les bits. En couleur, ce sont des technologies comme RVB et JPEG. Ensuite, vous devez être capable de transformer les bits en atomes », explique Wiltschko. "Nous pensons que le moment est venu de commencer à rassembler tout cela."

La société n'a pas encore construit de capteurs pour capturer les odeurs dans des signaux numériques - ou des dispositifs pour "imprimer" les odeurs, d'ailleurs - mais Wiltschko dit qu'ils collaborent avec des chercheurs extérieurs pour le faire. Wiltschko qualifie le problème de "ridiculement difficile" et dit que cela prendra des années.

En fait, les gens essaient depuis des décennies. DigiScents iSmell, une cartouche connectée par USB pour les ordinateurs de bureau, lancée en 1999. Elle était censée coder puis lire les données olfactives collectées en ligne, et WIRED a affirmé qu'elle "lancerait la prochaine révolution Web". Mais l'entreprise a fermé ses portes en 2001 en raison d'un manque de financement.

En 2014, Vapor Communications a lancé l'oPhone, un appareil qui se connecte à un iPhone ou à un iPad pour permettre aux utilisateurs d'envoyer des parfums avec des messages. En 2016, la société a également introduit un "haut-parleur de parfum" appelé Cyrano qui permettait aux gens de jouer des séquences de parfums, comme une liste de lecture pour les odeurs. Aucun de ces produits n'est encore sur le marché.

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Plus récemment, la startup technologique Feelreal a tenté d'incorporer un parfum dans un casque de réalité virtuelle, mais elle s'est heurtée à un problème réglementaire avec la Food and Drug Administration, car l'agence le considérait comme un produit de vapotage. Le casque n'a pas encore été mis à la disposition des consommateurs.

Pourquoi essayer de numériser l'odeur ? Pour Wiltschko et Wolfe, c'est parce que les odeurs ont la capacité exceptionnelle de déclencher des souvenirs. "Nous n'avons pas été en mesure de capturer ce qui est sans doute notre sens le plus évolutif, à savoir notre sens de l'odorat", déclare Wolfe. "Nous avons développé ce sens pour pouvoir éloigner le danger, détecter les êtres chers, sentir la nourriture pourrie et profiter de la beauté du monde, et ce sont des choses difficiles à partager avec les gens à moins que quelqu'un d'autre ne soit là."

Pour l'instant, ils vont commencer par essayer de bousculer l'industrie du parfum en recréant des parfums existants et en dénichant de nouveaux. Alors que Wiltschko remet les flacons de parfum dans la valise, je me demande si je voudrais porter l'un des parfums Osmo que j'ai échantillonnés. L'un était rose avec de la jacinthe et de la verdure fraîche. Mon parfum habituel, un parfum de rose fabriqué par une marque française, n'a cessé d'augmenter en prix et son arôme a changé au fil des ans. Une fois, alors que j'étais dans le magasin, j'ai demandé pourquoi : le problème était la chaîne d'approvisionnement des roses.

Peut-être que si je pouvais trouver une alternative, je changerais.