没有机器可以打败狗的炸弹探测嗅探能力

这篇报道最初发表于 2013 年 6 月 3 日。报道涵盖了当时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，狗的鼻子在化学传感器方面仍然占有优势：它们甚至被训练嗅出臭虫、冠状病毒和自制爆炸物（如 HMTD）。

圣诞季到了 在阿拉巴马州牛津市的 Quintard 购物中心，如果不是工作日的早上，铺着瓷砖的大厅里会挤满购物者，当我裤子里有 TNT 炸药走过维多利亚的秘密时，我可能会感觉更奇怪。这种炸药目前的形式是无害的——粉末状并密封在塞在我牛仔裤后袋里的一对四盎司尼龙袋里——但它的挥发性足以完成它的任务，即吸引一位名叫 Suge 的正在接受训练的本土保卫者的兴趣。

苏格是一只身穿橙色“请勿抚摸”背心的黑色拉布拉多猎犬。他目前是奥本大学犬类侦查研究所的学生，每周都会来购物中心一次，为未来的工作做准备：通过极其谨慎地嗅探空气来保护美国免受恐怖分子的袭击。

嗅觉是犬类的主要感觉。嗅觉之于犬类就如同视觉之于人类，是数据的主要输入。一年多来，奥本大学的训练员们一直在磨练苏格的嗅觉，让它能够探测到一些非常明确和危险的东西：表明爆炸物存在的分子，比如我携带的这种爆炸物。

对我来说，TNT 粉末没有明显的气味，但对 Suge 来说，它有非常独特的化学特征。即使在充满数千种其他气味的环境中，他也能几乎立即检测到这种特征。近 15 年来，奥本大学一直在培养世界上最训练有素的侦查犬，但 Suge 是该校最新、最精英项目的成员。他是一只蒸汽尾迹犬，经过训练可以在拥挤的公共场所行动，不断评估人体在身后留下的隐形蒸汽痕迹。

与传统的炸弹嗅探犬不同，嗅探犬会被带到特定的目标——比如汽车后备箱或可疑包裹——而 Vapor Wake 嗅探犬则旨在挫败一种特别危险的炸弹，即由人带到交通繁忙地区的炸弹，甚至是自杀式炸弹。在繁忙的地方，搜查个人在后勤上是不可能的，而锁定特定的嫌疑人则是浪费时间。相反，Vapor Wake 嗅探犬的目标是周围的空气。

波士顿马拉松爆炸案表明，我们需要狗——以及它们的嗅觉。当我走近购物中心的中央庭院，也就是两翼连锁店的交汇处时，Suge 牵着一条狗来回踱步，鼻子朝天。起初，我朝他走去，然后转过身假装对一张摆满水晶珍品的桌子感兴趣。当 Suge 不注意的时候，我从他身边走过，距离他大约 10 英尺，确保紧贴 Bath & Body Works 的入口，这恰好是整个购物中心气味最浓的商店。几秒钟后，我听到身后狗的脚趾甲在坚硬的瓷砖地板上发出咔嗒声。

当 Suge 挣扎着被拴在绳子末端时（一旦训练得更好，他就会以不太明显的方式向主人发出威胁），我伸手从夹克里掏出一根绳子，上面挂着一个被咬得很烂的球——这是他出色完成任务的奖励——然后把它扔过我的肩膀。圣诞节购物者看到一只黑色拉布拉多犬在商场庭院里追着球，不禁咯咯笑起来，他们没有意识到，如果我真的是恐怖分子，他就会救他们的命。

在人潮拥挤的商场里，在摆满香皂、乳液和香水的商店前，Suge 能在 10 英尺的距离内探测到少量 TNT，这充分体现了犬类的嗅觉能力。但如果我是一名恐怖分子，从远处就发现了 Suge，并改变路线避开他，情况会怎样？如果我选择去没有 Vapor Wake 巡逻犬的数千个商场、火车站和地铁站台之一，情况会怎样？

狗可能是人类最精妙的嗅觉探测机器，这项技术已经开发了 1 万多年，但它们并不完美。奥本大学嗅觉训练课程的毕业生学费高达 3 万美元。它们从出生开始就需要接受数百小时的训练。训练师数量有限，而具备嗅觉探测能力的纯种狗数量也有限。奥本大学每年训练的狗不超过几百只，这意味着狗的数量永远比商场或军事单位的数量少得多。此外，狗是有知觉的动物。像我们一样，它们会困倦、会害怕、会死亡。有时它们会犯错。

波士顿马拉松爆炸案的悲剧清楚地表明，爆炸物始终是一种危险，执法人员和军事人员需要狗和它们的鼻子来对抗爆炸物。但它也清楚地表明，除了警犬之外，安全部队还需要某种东西，一种可靠、可批量生产且易于部署在多个地点的东西。换句话说，他们需要一个人造鼻子。

1997 年，美国国防部高级研究计划局 (DARPA) 设立了一个项目，专门开发这种设备，以防地雷。五角大楼最清楚爆炸物对战场部队的普遍性和生存威胁，而且越来越明显的是，炸弹探测的需求已经超出了战场范围。1988 年，一群恐怖分子在苏格兰洛克比上空击落了泛美航空 103 号航班，造成 270 人死亡。1993 年，拉姆齐·尤素夫和艾亚德·伊斯梅尔驾驶一辆装满炸药的莱德卡车冲进纽约世界贸易中心的地下车库，差点炸毁一座塔楼。1995 年，蒂莫西·麦克维在俄克拉荷马城的阿尔弗雷德·P·默拉联邦大楼前引爆了另一辆装满炸药的莱德卡车，造成 168 人死亡。这个被称为“狗鼻计划”的项目被视为国家安全优先事项。

三年间，该项目的科学家首次在开发一种可以“嗅探”周围空气中的爆炸物而非直接检测爆炸物的装置方面取得了真正的进展。特别是，麻省理工学院的一位名叫蒂莫西·斯瓦格 (Timothy Swager) 的化学家提出了使用荧光聚合物的想法，这种聚合物在与 TNT 释放的分子结合时会熄灭，发出化学物质存在的信号。这个想法最终发展成一种名为 Fido 的手持设备，至今仍广泛用于搜寻 IED（其中许多含有 TNT）。但这就是进展停滞的地方。

嗅觉，从最简化的意义上讲，是一种化学检测。在动物中，分子与受体结合，触发信号，并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，都是由特定的分子组合产生的。为了复制狗的鼻子，科学家需要检测这些分子的微量成分，并确定威胁性组合。TNT 相对容易。它具有高蒸气压，这意味着它会向空气中释放大量分子。这就是 Fido 有效的原因。大多数其他常见爆炸物，尤其是 RDX（C-4 的主要成分）和 PETN（用于塑料爆炸物，如 Semtex），具有非常低的蒸气压——平衡时为万亿分之一，一旦它们在空气中松散，甚至可能达到千万亿分之一。

这台机器像狗一样“嗅”着并识别出爆炸物分子。“直到最近，这都超出了任何仪器的能力范围，”华盛顿州里奇兰太平洋西北国家实验室的高级研究员戴维·阿特金森说。阿特金森是一个性格开朗、略带熊性、留着浓密山羊胡的男人，他是痕量爆炸物检测年度研讨会的联合创始人和“永久联合主席”。1988 年，泛美航空 103 航班坠毁时，他还在华盛顿州立大学攻读博士学位。“那是转折点，”他说。“过去 20 年，我一直在帮助防止飞机上携带爆炸物。”他可能终于找到了解决方案。

当我在一月中旬拜访他时，阿特金森招呼我进入一间杂乱的实验室，从那里可以看到哥伦比亚河。他说，在一年中的某些时候，他可以看到老鹰俯冲下来偷猎产卵的鲑鱼。“我们将向你展示我们认为可以驱除狗的装置，”他开玩笑地说，指着实验室一角一台笨重的复印机大小的机器，上面有一个长长的铜鼻子；电线杂乱地从各个部分伸出。

去年秋天，阿特金森和两位同事做了一件了不起的事：他们首次证明，一台机器可以在环境条件下直接探测两种常见爆炸物——RDX 和 PETN。换句话说，这台机器像狗一样从空气中“嗅”出蒸汽，并识别出爆炸物分子，而无需像目前部署的化学检测机器（例如，机场安检处的各种痕量检测机器）那样先加热或浓缩样品。阿特金森一举打开了直接探测世界上最邪恶的爆炸物的大门。

当阿特金森解释他的机器的细节时，资深科学家罗伯特·尤因正在准备演示。尤因身材苗条，身穿黑色牛仔裤和斑点灰色衬衫，与他灰白相间的头发完全相配。尤因抓起一块沾满 RDX 的玻璃载玻片，这种爆炸物即使在平衡状态下，蒸汽压也只有万亿分之五。他说，这个特殊的样本已经放了一年多了，只是放在柜台上暴露在外；问题是它很脆弱。尤因把这个样本举到直径约一英寸的铜管的管口端。该铜管将空气输送到电离源，电离源选择性地将爆炸性化合物与带电粒子配对，然后输送到大约一台小型复印机大小的商用质谱仪。这台机器没有哪个部件特别复杂；在大多数情况下，阿特金森和尤因用现成的零件建造了它。

尤因让机器嗅探 RDX 样本，然后指向一台计算机显示器，上面有一张类似于心电图的线图，显示所闻到的气味。几秒钟内，图表便开始飙升。尤因用 C-4 重复实验，然后用 Semtex 再次重复实验。每次，机器都能感应到爆炸物。

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带到现场，需要克服一些障碍。目前，该机器只能识别少量爆炸物（截至 4 月至少有 9 种），但 Ewing 和阿特金森都相信，如果获得资金，他们可以研究出检测其他爆炸物的化学方法。此外，阿特金森需要将其缩小到实用尺寸。目前最小的高性能质谱仪大约有激光打印机那么大——对于警察或士兵来说太大了，无法在野外携带。科学家们还没有找到缩小该设备真空泵的方法。阿特金森说，DARPA 已经资助了一个大幅缩小真空泵尺寸的项目，但目前尚不清楚这项工作是否可以应用于质谱分析。

如果阿特金森能够减少机器的体积，哪怕只是一点点，并改进设计，他设想出了很多非常有用的应用。例如，现在美国机场常见的毫米波检测亭（需要乘客双手高举的检测亭——顺便说一句，也是在太平洋西北国家实验室发明的）上可以安装一个版本，使用一根管子嗅探空气并将其传送到质谱仪。士兵们还可以将一个版本安装在悍马或自动驾驶汽车上，在人或狗无法应对的危险情况下，自动驾驶汽车可以开过来嗅探可疑的瓦砾堆。如果阿特金森能够将机器做成背包大小或更小，他甚至可以将便携式版本送到最需要它们的人手中：在阿富汗巡逻的海军陆战队、守卫美国火车站的美国铁路警察，或者监视游行或公路比赛的警官。

寻求更灵敏的嗅觉的并非只有阿特金森一人。麻省理工学院的一个研究小组正在研究使用碳纳米管，碳纳米管内衬有从蜜蜂毒液中提取的肽，这些肽可以与某些爆炸性分子结合。在法国的法德研究所，研究员丹尼斯·斯皮策正在试验一种化学探测器，这种探测器由微机电机器 (MEM) 制成，模仿雄蚕蛾的触角，灵敏度足以探测到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出极度灵敏的化学检测技术的人——而且这项研究几乎肯定会加强反恐防御——但他和其他科学家在达到狗鼻的精密程度之前还有很长的路要走。一个挑战是开发一种嗅探机制。“使用任何电子鼻，你都必须将气味引入探测器，”Flir Systems 的高级科学家马克·费舍尔 (Mark Fisher) 说，该公司拥有 IED 探测器 Fido 的专利。狗每次嗅探，它都会处理大约半升空气，狗每秒最多嗅探 10 次。Fido 每分钟处理不到 100 毫升，而阿特金森的机器每分钟最多嗅探 20 升。

另一个更大的、甚至是难以克服的挑战是掌握嗅觉本身的机制。

嗅觉是最古老的感觉系统，也是人们了解最少的。它既复杂又古老，有时被称为原始感觉，因为它可以追溯到生命起源。最初漂浮在原始汤中的单细胞生物会拥有化学检测系统，以便找到食物并避开危险。在人类中，它是唯一一种在大脑中拥有自己专用处理站（嗅球）的感觉，也是唯一一种不直接将数据传输到高级大脑的感觉。相反，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。这就是为什么气味很容易引发怀旧情绪，或者对那些患有创伤后应激障碍的人来说，引发令人麻木的恐惧。

所有哺乳动物都拥有相同的基本系统，尽管不同物种的嗅觉敏感度存在很大差异。那些以嗅觉作为主要生存感官的动物，尤其是啮齿动物和狗，在识别气味方面比人类高出几个数量级。建筑与此有很大关系。狗离地面较低，分子往往会落在那里并停留。它们嗅探的频率也更高，方式也完全不同（先呼气以清除目标周围的干扰气味，然后再吸气），从而将更多的分子吸引到它们更大的嗅觉受体阵列中。嗅觉灵敏的狗的受体数量是人类的 10 倍，狗的大脑中有 35% 用于嗅觉，而人类只有 5%。

不同于听觉和视觉，这两种功能自 19 世纪以来就得到了充分的理解，科学家在 50 年前才首次解释嗅觉。宾夕法尼亚大学嗅觉与味觉中心主任理查德·多蒂说：“就嗅觉系统的生理机制而言，这实际上才刚刚开始几十年。而且人们学得越多，它就越复杂。”

阿特金森的蒸汽探测器使用质谱法识别出几种特定的化学物质，而动物系统可以识别出数千种气味，无论出于什么原因，这些气味对它们的生存都至关重要。当分子进入鼻子时，它们会与嗅觉受体结合，这些受体像倒挂的花朵一样悬挂在大脑组织（称为嗅觉上皮）上。一旦一组分子与特定受体连接，电信号就会通过轴突发送到嗅球，然后通过边缘系统进入皮层，大脑在那里吸收这些信息并说：“好极了，美味的咖啡就在附近。”

虽然狗能熟练掌握神秘的嗅觉语言，但科学家们现在才刚刚开始学习基础知识。与爆炸物一样，大多数气味都是化学物质的混合物（只有极少数是纯的；例如，香草味只是香草醛），这意味着系统必须将所有分子组合在一起，并识别出特定的组合是汽油，而不是柴油或煤油。多蒂将该系统解释为一种代码，他说：“特定气味的代码是被激活的蛋白质的某种组合。”为了制造出一种能像狗一样解析气味的机器，科学家必须解开化学密码，并编写人工受体，以对多种气味及其组合发出警报。

从某种程度上来说，阿特金森的机器是这一过程的第一步。他已经破解了几种关键爆炸物的密码，并制造出一种灵敏度足够高的装置，只需嗅嗅空气就能探测到它们。但他并没有受益于数千年的生物工程。多蒂说，犬类的嗅觉非常复杂，人类几乎无法想象。例如，人类不会梦到气味，但狗可能会。“它们可能有将气味概念化的能力，”他说，这意味着它们不是在脑海中想象一个想法，而是通过嗅觉来感知它。

动物也能通过气味传递元数据。当狗闻到电线杆的气味时，它其实是在阅读一块信息公告板：哪些狗路过，哪些狗在发情，等等。狗也能感知其他物种的费洛蒙。有句老话说，它们能闻到恐惧，但科学家已经证明，它们还能闻到其他东西，比如癌症或糖尿病。费城莫奈尔化学感官中心负责人加里·博尚普说，“一只老鼠嗅另一只老鼠，就能获得比你我通过观察某人更多的信息。”

如果说破解化学密码只是简单的拼写，那么破译这类元数据就是语法和句法。虽然狗能流利地说这种神秘的语言，但科学家们现在才刚刚开始学习 ABC。

很少有人比保罗·瓦格纳更了解嗅觉的复杂性。瓦格纳是一位行为科学家，也是奥本大学犬类研究侦查研究所的副主任。他研究狗的鼻子已有 20 多年了。

“等你离开之后，你再也不会用同样的眼光看待狗了，”他边说边带我穿过走廊，军事情报学员曾经在这里学习使用测谎仪，然后走出一扇门，经过一些围栏，新生小狗们就在这里度过它们的日子。CRDI 占据了阿巴拉契亚山麓一处前军事基地的一部分，每年为美国铁路公司、国土安全部、美国各地警察局和军队饲养和训练 100 到 200 只狗——大部分是拉布拉多猎犬，也有比利时马林诺斯犬、德国牧羊犬和德国短毛指示犬。训练从生命的最初几周开始，瓦格纳指出，小狗围栏的地板是用闪亮的瓷砖铺成的，模仿它们在商场、机场和运动场上会遇到的光滑表面。断奶后，小狗们会被送往佛罗里达州和乔治亚州的监狱，在那里，它们会在喧闹、忙碌且不可预测的环境中与囚犯们进行社交。然后它们会回到瓦格纳的家。

瓦格纳花了数万小时仔细研究，开始量化狗的嗅觉能力。例如，狗可以检测到多小的样本（至少是万亿分之一）；它们可以检测到多少种不同类型的气味（在某个子集内，例如爆炸物，似乎没有限制，而且可以在几个小时内学会一种新气味）；训练狗适应多种气味是否会降低其整体检测准确度（通常不会）；以及温度和疲劳等某些因素如何影响其表现。

狗是一种静态技术，等待被淘汰，这一想法确实让瓦格纳很困扰，因为他觉得自己的创新程度与阿特金森和其他实验室科学家一样高。“我们仍在学习如何选择、培育和获得更好的狗，然后如何更好地训练它，也许最重要的是，如何训练操作这些狗的人。”

瓦格纳甚至教他的狗爬进核磁共振成像仪，忍受扫描的噪音和乏味。如果他能准确地识别出在特定化学物质存在的情况下哪些神经元在放电，并开发出一种系统将这些信息传达给训练员，他说这将大大有助于消除误报。如果他能得到更具体的信息——比如说，RDX 是否比 PETN 激发不同的细胞——这些信息可能会为拆弹小组提供更有针对性的响应。

看了一整天的训练员展示 CRDI 的狗的众多能力后，瓦格纳带我回到他那间家具简陋的办公室，点击了他电脑上的一个视频文件。这是他参加爆炸物会议时做的演讲，视频中的主角是黄色的拉布拉多犬 Major，它背上背着一个看起来像是缩小版的谷歌街景车阵列。瓦格纳将这个实验称为“自主犬导航”。通过预装的地图，计算机向狗提供具体的方向。通过发出指示左、右和后方的哔哔声，它帮助 Major 在一座用于城市战训练的废弃“城镇”中导航。瓦格纳可以通过笔记本电脑使用摄像头和 GPS 点监控狗的位置，同时跟踪它的嗅探频率。当狗发出爆炸物存在的信号时，笔记本电脑会发出警报，地图上会标记一个图钉。

不难想象，在城市战场或大面积、时间紧迫的情况下，这种设备会非常有用——比如，办公楼内有炸弹威胁，炸弹将在 30 分钟内引爆。如果没有人和皮带，狗就能以近乎冲刺的速度扫荡整个楼层。“像狗一样多才多艺，将所有功能都集中在一个设备中，可能是不可能的，”瓦格纳说。

养狗人和模仿狗鼻子的科学家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——养狗人和模仿狗鼻子的科学家——都有一个共同的目标：阻止炸弹爆炸。瓦格纳认为，这场技术竞赛最有效的结果是狗和机器之间的互补关系。例如，指望一队 Vapor Wake 狗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安装一个阿特金森嗅探器。如果有人报警，他们可以叫狗来。

Fido 的制造商 Flir Systems 有一个狗研究小组是有原因的，而且它不只是为了比较研究，该小组的负责人 Kip Schultz 说。“我认为，如果这个行业有远见，那么它的发展方向就是综合的，”他告诉我。“有些事情狗做得很好。有些事情机器也做得很好。你可以利用一个方面的优势来对抗另一个方面的弱点，从而找到更好的解决方案。”

尽管舒尔茨就职的公司主要专注于传感器创新，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的发展。“没有人会投资研究来尝试采用苹果的方式来研究狗，”他说。“10 年或 15 年后，它能为我们做些什么我们还没有想到的呢？”

另一方面，狗并不总是正确的选择；例如，它们可能不适合检查航空货物。这是一项关键任务，但每天嗅探传送带上滚动的数千个行李是一项繁琐的工作。在这种情况下，在传送带上安装嗅探器更有意义。它永远不会感到无聊。

“人们认为传感器会让狗失去生意——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。马克·费舍尔也在电话中笑道。“狗也不会让传感器失去生意。”

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