本文最初于2013年6月3日发布。当时，它报道了最先进的炸弹探测技术，重点研究了基于犬类嗅觉的研究。如今，狗的鼻子仍然比化学传感器更胜一筹：它们甚至被训练成能闻出臭虫、冠状病毒以及HMTD等自制炸药。
现在是圣诞季 ，阿拉巴马州牛津市的Quintard购物中心。如果不是一个工作日的早晨，铺着瓷砖的大厅里本会挤满购物者，而我大概会觉得在维多利亚的秘密（Victoria’s Secret）旁走过，裤子里藏着TNT（一种炸药），感觉会更奇怪。炸药以其目前的形态是无害的——粉末状，密封在两条四盎司的尼龙袋中，放在我的牛仔裤后袋里——但它足以完成它的任务，那就是引起一个名叫Suge的国土防御训练犬的注意。
Suge是一只十几岁的黑色拉布拉多犬，穿着一件橙色的“请勿抚摸”背心。它目前是奥本大学犬类探测研究所的学生，每周来一次购物中心，为它未来的工作做准备：通过极其敏锐的嗅觉保护美国免受恐怖分子侵害。
嗅觉是犬类的主要感官。对它来说，嗅觉就像视觉对人类一样，是获取信息的主要途径。一年多来，奥本大学的训练师们一直在磨练Suge的嗅觉，使其能够探测到非常明确和危险的东西：指示炸药存在的分子，比如我携带的那种。
TNT粉末对我来说没有可辨别的气味，但对Suge来说，它有一种非常独特的化学特征。它几乎能瞬间就能探测到这种特征，即使在充斥着数千种其他气味的环境中也是如此。奥本大学近15年来一直在培养世界上最顶尖的探测犬，而Suge是该校最新、最精英的项目成员。它是一只Vapor Wake犬，经过训练，能在拥挤的公共场所活动，持续评估人类身体在空气中留下的无形气味痕迹。
与传统的搜爆犬不同，后者会被带到特定目标——比如汽车后备箱或可疑包裹——Vapor Wake犬的目的是挫败一种特别恶劣的炸弹，即由人类携带进入高流量区域的炸弹，甚至可能是自杀式炸弹。在繁忙的地点，搜查个人在后勤上是不可能的，而且专注于特定嫌疑人会浪费时间。相反，Vapor Wake犬则瞄准周围的空气。
正如波士顿马拉松爆炸案所清楚表明的那样，我们需要狗——以及它们的鼻子。当我走向购物中心中央庭院，那里是两个连锁店区交汇的地方，Suge正以我的方向踱步，鼻子朝天。起初，我朝它走去，然后绕个大弯，假装对一张摆满水晶工艺品的桌子感兴趣。当Suge不注意时，我与它保持约10英尺的距离走过它，并确保紧贴着Bath & Body Works的入口，这恰好是整个购物中心里气味最浓的商店。几秒钟后，我听到了狗爪子在硬瓷砖地板上敲击的声音在我身后响起。
当Suge在牵引绳的另一端挣扎时（一旦训练得更好，它会以更不易察觉的方式提醒它的主人），我伸手到夹克里，拿出一颗被啃得面目全非的绳球——这是它完成任务的奖励——然后把它扔到身后。圣诞购物者们咯咯地笑着看一只黑色的拉布拉多犬在购物中心庭院里追逐一个球，他们不知道，如果我真的是一个恐怖分子，它刚刚就救了他们的命。
Suge能在拥挤的购物中心，在一个充满香皂、乳液和香水的商店前，在10英尺的距离外探测到少量TNT，这是对犬类嗅觉能力的非凡展示。但如果我是一个恐怖分子，我从远处看到了Suge并改变了我的路线以避开它呢？而且，如果我选择了去成千上万个没有Vapor Wake犬巡逻的购物中心、火车站和地铁站呢？
狗可能是人类最精密的嗅觉探测装置，这项技术已经发展了10000多年，但它们远非完美。奥本大学项目的毕业生价格可能高达3万美元。它们需要从出生起就开始数百小时的训练。训练师的数量有限，拥有适合探测工作特质的纯种狗的供应也有限。奥本大学每年培训的狗不超过几百只，这意味着狗的数量将永远远少于购物中心或军事单位的数量。此外，狗是有感知能力的生物。像我们一样，它们会感到疲倦；它们会害怕；它们会死去。有时它们也会犯错。
正如波士顿马拉松爆炸案的悲剧所清楚表明的，爆炸物仍然是普遍存在的危险，执法和军事人员需要狗——以及它们的鼻子——来对抗它们。但这也清楚地表明，安全部队需要除了犬类之外的东西，某种可靠的、可大规模生产的、并且容易部署在各种地点的技术。换句话说，它们需要一个人造鼻子。
1997年，DARPA启动了一个旨在开发此类设备的计划，专门针对地雷。五角大楼比任何人都清楚爆炸物对战场部队的普遍和生存威胁，并且日益明显的是，炸弹探测的需求已超越战场。1988年，一群恐怖分子在苏格兰洛克比上空炸毁了泛美航空103航班，造成270人死亡。1993年，Ramzi Yousef和Eyad Ismoil驾驶一辆载有爆炸物的Ryder卡车驶入纽约世界贸易中心地下车库，几乎导致一座塔楼倒塌。1995年，Timothy McVeigh在俄克拉荷马城阿尔弗雷德·P·穆拉联邦大楼前引爆了另一辆装满爆炸物的Ryder卡车，造成168人死亡。“犬鼻计划”（Dog’s Nose Program）因此被视为国家安全重点。
在三年的时间里，该计划的科学家们在开发一种能够“嗅探”环境中空气中的爆炸物，而不是直接测试它们的设备方面取得了首批真正的进展。特别是，一位名叫Timothy Swager的麻省理工学院化学家专注于利用荧光聚合物的想法，这些聚合物与TNT释放的分子结合后会关闭，从而发出化学物质存在的信号。这个想法最终发展成了一个名为Fido的手持设备，该设备至今仍在广泛用于搜寻IED（许多IED含有TNT）。但就在那里，进展停滞了。
从最根本的意义上讲，嗅觉是化学探测。在动物体内，分子与受体结合，触发一个信号发送到大脑进行解释。在机器中，科学家通常使用质谱法代替受体和神经元。大多数气味，包括爆炸物，都是由特定分子组合形成的。要复制狗的鼻子，科学家需要探测到这些分子的微量，并识别出危险的组合。TNT相对容易。它的蒸气压很高，这意味着它会释放大量的分子到空气中。这就是Fido能工作的原理。其他大多数常见爆炸物，特别是RDX（C-4的主要成分）和PETN（如Semtex炸药中的塑性炸药），蒸气压非常低——在平衡状态下是百万分之几，一旦散布在空气中，可能是万亿分之几。
该机器“嗅探”就像狗一样，并识别出爆炸物分子。“这远远超出了任何现有仪器的能力，直到最近，”大卫·阿特金森说，他是位于华盛顿州里奇兰的太平洋西北国家实验室的高级研究员。阿特金森是一位健谈、略显粗犷、留着浓密山羊胡的男人，他是年度痕量爆炸物探测研讨会的联合创始人兼“永久联合主席”。1988年，他是华盛顿州立大学的一名博士生，当时泛美航空103航班被击落。“那是转折点，”他说。“我花了20年时间致力于防止炸弹登上飞机。”他可能终于快要找到解决方案了。
当我1月中旬拜访他时，阿特金森把我引到了一个杂乱的实验室，那里可以俯瞰哥伦比亚河。他说，一年中的某些时候，他可以看到老鹰在鲑鱼产卵时俯冲捕食。“我们会向你展示我们认为可以淘汰狗的设备，”他开玩笑地说，并指向角落里一个笨重的、复印机大小的机器，它有一个长长的铜制“鼻子”，各种电线杂乱地从上面延伸出来。
去年秋天，阿特金森和两位同事做了一件了不起的事情：他们首次证明，一台机器可以在环境条件下直接检测到两种常见炸药——RDX和PETN——的蒸气。换句话说，这台机器就像狗一样，通过空气“嗅探”蒸气，并在不预先加热或浓缩样品的情况下识别出爆炸物分子，而目前使用的化学探测机器（例如，机场安检处的各种痕量探测机器）则必须这样做。阿特金森的研究一下子为直接探测世界上最危险的爆炸物打开了一扇门。
当阿特金森解释他的机器细节时，高级科学家罗伯特·欧文（Robert Ewing）——一个穿着黑色牛仔裤和一件与他银灰色头发完全匹配的花灰衬衫的精干男人——正在准备演示。欧文拿起一片沾有RDX的玻璃载玻片，RDX是一种即使在平衡状态下蒸气压也只有百万分之五的爆炸物。他说，这个样品已经放了一年多了，只是放在柜台上暴露着；其目的是表明它很弱。欧文将样品举到一根直径约一英寸的铜管的“鼻子”端。该管道将空气输送到一个电离源，该电离源选择性地将爆炸性化合物与带电粒子配对，然后送到一个商用质谱仪，该质谱仪的大小约等于一台小型复印机。机器的任何部件都不算特别复杂；大部分情况下，阿特金森和欧文都是用现成的零件组装的。
欧文让机器嗅探RDX样品，然后指向一台电脑显示器，上面显示着一个看起来像心电图的折线图，显示着被嗅探到的东西。几秒钟内，图表就飙升了。欧文用C-4重复了实验，然后又用Semtex重复。每次，机器都能探测到爆炸物。
大卫·阿特金森可能是第一个展示极高灵敏度化学探测的人——这项研究几乎保证能加强反恐防御——但要达到狗鼻子那样的复杂程度，他和其他科学家还有很长的路要走。
阿特金森机器的商业版本可能对公共安全产生巨大影响，但要将这项技术从实验室推广到实际应用，还需要克服一些障碍。目前，该机器只能识别少数几种爆炸物（截至4月已有至少九种），尽管欧文和阿特金森都对如果获得资金，他们能够找到检测其他爆炸物的化学方法充满信心。此外，阿特金森需要将其缩小到实用的尺寸。目前最小的高性能质谱仪尺寸约为激光打印机大小——对于警察或士兵在现场携带来说太大了。科学家们还没有找到一种方法来缩小设备的真空泵。阿特金森说，DARPA已经资助了一个项目来大幅减小真空泵的尺寸，但尚不清楚这项工作是否能应用于质谱分析。
如果阿特金森能够缩小他的机器的占地面积，哪怕只是稍微缩小一点，并改进他的设计，他就能想象出许多非常有用的应用。例如，一种安装在目前美国机场常见的毫米波扫描仪上（要求乘客双手举起站立的扫描仪——顺便说一句，这也是PNNL发明的）的设备，可以使用一根管子吸入空气并将其输送到质谱仪。士兵还可以将其安装在悍马车或自动驾驶汽车上，在人类或狗无法进入的危险情况下，自动驾驶汽车可以上前嗅探可疑的瓦砾堆。如果阿特金森能将其缩小到背包大小或更小，他甚至可能可以将便携式版本交给最需要它的人：在阿富汗巡逻的陆战队员，在全美铁路站台巡逻的Amtrak警察，或者负责维护游行或公路赛的警察。
阿特金森并非在寻找更好鼻子的人中是孤独的。麻省理工学院的一个研究小组正在研究使用由蜜蜂毒液提取的肽涂层的碳纳米管，这些肽可以与某些爆炸物分子结合。在法国的法德研究所，研究员丹尼斯·斯皮策（Denis Spitzer）正在试验一种由微机电系统（MEMS）制成的化学探测器，该探测器以雄性蚕蛾的触角为模型，其灵敏度足以探测空气中的单个雌性信息素分子。
阿特金森可能是第一个展示极高灵敏度化学探测的人——这项研究几乎可以保证能加强反恐防御——但要达到狗鼻子那样复杂，他和其他科学家还有很长的路要走。一个挑战是开发一种嗅探机制。“对于任何电子鼻来说，你都必须将气味物质导入探测器，”Flir Systems公司的资深科学家马克·费舍尔（Mark Fisher）说，该公司拥有IED探测器Fido的专利。狗每一次嗅探，会处理大约半升空气，狗每秒嗅探10次。Fido每分钟处理不到100毫升空气，而阿特金森的机器每分钟最多嗅探20升空气。
另一个更大的挑战，也许是无法克服的，是掌握嗅觉本身的作用机制。
嗅觉是最古老的感官系统之一，也是最不被理解的。它很复杂，也很古老，有时被称为原始感官，因为它能追溯到生命本身的起源。最初漂浮在原始汤中的单细胞生物会拥有化学探测系统，以便定位食物和躲避危险。在人类身上，它是唯一在大脑中拥有专门处理站——嗅球——的感官，也是唯一不直接将数据传输到高级大脑的感官。取而代之的是，当气味分子与嗅觉受体结合时触发的电脉冲，会首先通过边缘系统，即情感和记忆的所在地。这就是为什么气味如此容易引发怀旧，或者在患有创伤后应激障碍（PTSD）的人身上，会引发瘫痪性的恐惧。
所有哺乳动物共享相同的基本系统，尽管物种间的敏感度存在巨大差异。那些以嗅觉作为主要生存感官的动物，特别是啮齿动物和狗，在识别气味方面比人类好几个数量级。这在很大程度上与它们的体型有关。狗的体型更低，分子更容易在那里着陆和停留。它们嗅探的频率也高得多，而且方式完全不同（通过先呼气清除目标周围的干扰气味，然后再吸气），将更多的分子带到它们数量大得多的嗅觉受体上。优秀的嗅觉犬拥有的受体数量是人类的10倍，而犬类大脑的35%用于嗅觉，而人类只有5%。
与19世纪以来就已经被相当好地理解的听觉和视觉不同，科学家们直到50年前才首次解释了嗅觉。“在关于系统工作方式的生理机制方面，这真的只始于几十年前，”宾夕法尼亚大学嗅觉与味觉中心主任理查德·多蒂（Richard Doty）说。“人们学到的越多，它就变得越复杂。”
而阿特金森的蒸气探测器利用质谱法识别几种特定的化学物质，动物系统可以识别数千种对它们的生存至关重要的气味。当分子进入鼻子时，它们会与作为大脑组织——嗅觉上皮——的叶片上垂挂的、形似倒挂花朵的嗅觉受体结合。一旦一组分子与特定受体结合，就会通过轴突将电信号发送到嗅球，然后通过边缘系统进入皮层，在那里大脑将信息同化，并说：“嗯，附近有好闻的咖啡。”
虽然狗能流利地理解神秘的嗅觉语言，但科学家们才刚刚开始学习它的ABC。就像炸药一样，大多数气味都是化学物质的化合物（只有极少数是纯净的；例如，香草只有香兰素），这意味着系统必须收集所有这些分子，并将特定的组合识别为汽油，而不是柴油或煤油。多蒂将这个系统解释为一种密码，他说：“特定气味的密码是由被激活的蛋白质的某种组合构成的。”要创造一个能像狗一样解析气味的机器，科学界必须破解化学密码，并编程人工受体来识别多种气味以及它们的组合。
在某种程度上，阿特金森的机器是这个过程的第一步。他破解了几种关键爆炸物的密码，并制造了一种足够灵敏的设备，可以通过嗅探空气来探测它们。但他没有数千年的生物工程的优势。多蒂说，犬类嗅觉的复杂程度是人类难以想象的。例如，他说，人类不会在气味中做梦，但狗可能会。“它们可能拥有概念化气味的能力，”他表示，这意味着它们可能不是在脑海中形象化一个想法，而是通过气味来理解它。
动物还可以通过气味传达元数据。当一只狗闻到一个电话亭时，它正在阅读一个信息公告栏：哪些狗经过了，哪些狗处于发情期，等等。狗还可以感知其他物种的费洛蒙。老话说它们能闻出恐惧，但科学家们已经证明它们能闻出其他东西，比如癌症或糖尿病。加里·博尚（Gary Beauchamp）是费城莫奈尔化学感觉中心的负责人，他说，“一只老鼠闻另一只老鼠能获得比我们通过看别人获得的信息多得多的关于那只老鼠的信息。”
如果破解化学密码只是拼写，那么破译这类元数据就是语法和句法。虽然狗能流利地掌握这种神秘的语言，但科学家们才刚刚开始学习它的ABC。
很少有人比保罗·瓦格纳更能理解嗅觉的复杂性了，他是一位行为科学家，也是奥本大学犬类研究探测研究所的副所长。他钻研狗的鼻子已经20多年了。
“等你离开的时候，你再看狗就会不一样了，”他说着，领我穿过一条曾经用来训练军事情报人员进行测谎仪的走廊，然后出门，经过一些关着幼犬的围栏。CRDI占用了阿巴拉契亚山麓一个前陆军基地的部分区域，每年为Amtrak、国土安全部、美国各地警察部门和军队培育和训练100到200只狗——主要是拉布拉多猎犬，还有比利时马里努阿犬、德国牧羊犬和德国短毛指示犬。训练从生命最初几周开始，瓦格纳指出，幼犬围栏的地板是用光滑的瓷砖制成的，以模仿它们将在购物中心、机场和体育场馆遇到的光滑表面。断奶后，幼犬会被送到佛罗里达州和佐治亚州的监狱，在那里它们在嘈杂、繁忙和不可预测的环境中与囚犯一起进行社交。然后它们会被送回瓦格纳这里。
瓦格纳在数万小时的细致研究中，开始量化狗的嗅觉能力。例如，狗能探测到的样本有多小（至少是百万分之几）；它们能探测多少种不同类型的气味（在特定子集内，例如爆炸物，似乎没有限制，新的气味可以在几小时内学会）；用多种气味训练狗是否会降低其整体探测准确性（通常不会）；以及温度和疲劳等因素如何影响性能。
狗是一种静态技术，只是等待被淘汰的想法非常困扰瓦格纳，因为他认为他在进行与阿特金森和其他实验室科学家一样多的创新。“我们仍在学习如何选择、繁殖，以及如何获得更好的狗——然后如何更好地训练它们，也许最重要的是，如何训练操作这些狗的人。”
瓦格纳甚至教会他的狗爬进核磁共振成像机，并忍受扫描时的噪音和枯燥。如果他能确定在特定化学物质存在时哪些神经元在放电，并开发一个系统将这些信息传达给训练师，他说这将有助于消除误报。如果他能更具体——例如，RDX是否触发不同于PETN的细胞——这些信息可能会为拆弹小组提供更有针对性的应对措施。
狗是一种静态技术，只是等待被淘汰的想法非常困扰保罗·瓦格纳。
在花了一整天观看训练师演示CRDI狗的无数能力后，瓦格纳把我带回他简朴的办公室，并在电脑上点击了一个视频文件。这是他之前在一个爆炸物会议上的演讲录像，其中展示了一只名叫Major的黄色拉布拉多犬，它背上戴着一个看起来像是缩小版的Google街景车阵列。瓦格纳称这项实验为“自主犬类导航”。通过预加载的地图，一台电脑向狗发出具体的指示。通过发出表示左、右和后退的哔哔声，它帮助Major在用于城市战争训练的废弃“城镇”中导航。瓦格纳可以通过笔记本电脑，利用摄像头和GPS点来监测狗的位置，同时追踪它的嗅探速率。当狗发出爆炸物存在的信号时，笔记本电脑会闪烁警报，并在地图上标记一个图钉。
很容易想象这在城市战场情况下或者在时间紧迫的情况下会非常有用，比如收到匿名威胁，说一个炸弹将在30分钟内在一栋办公楼内引爆。如果去掉人和绳子，狗可以在近乎冲刺的速度下扫描整个楼层。“要像狗一样多才多艺，要把所有能力都集成到一个设备中，可能是不可能的，”瓦格纳说。
无论是“狗派”还是致力于模仿犬类鼻子的科学家，他们都有一个共同的目标：阻止炸弹爆炸。重要的是要认识到，双方——“狗派”和致力于模仿犬类鼻子的科学家——都有一个共同的目标：阻止炸弹爆炸。瓦格纳认为，这项技术竞赛中最有效的结果是狗与机器之间的互补关系。例如，指望一群Vapor Wake犬来保护中央车站是不切实际的，但铁路警察也许有一天可以在车站的不同入口处安装阿特金森的探测器。如果其中一个发出警报，他们就可以叫来狗。
Fido的制造商Flir Systems公司设有一个狗研究小组，这并非仅仅是为了进行比较研究，该小组的负责人基普·舒尔茨（Kip Schultz）解释道。“我认为，如果行业有远见，其发展方向是结合，”他告诉我。“狗非常擅长某些事情。而机器在某些事情上做得很好。你可以利用一方的优点来弥补另一方的缺点，从而得到一个更好的解决方案。”
尽管舒尔茨在一家主要专注于传感器创新的公司工作，但他同意瓦格纳的观点，即我们应该同时推动狗作为一种技术。“没有人会进行研发投入，尝试为狗采取类似苹果的做法，”他说。“在未来10到15年里，它可能会为我们做些我们尚未想到的事情？”
另一方面，狗并非总是最佳选择；例如，它们可能不适合对飞机货舱进行安检。这是一项关键任务，但每天扫描传送带上成千上万个包裹是一项枯燥的工作。在这种情况下，安装在传送带上方的嗅探器就更有意义了。它永远不会感到无聊。
“传感器将使狗失业的看法——我告诉你，这不会发生，”舒尔茨在一次漫长的电话会议结束时告诉我。同样在电话里的马克·费舍尔笑了。“狗也不会使传感器失业。”
阅读更多 PopSci+ 文章。
