如果机器人鼻子能够比搜救犬嗅觉灵敏，那么它将成为灾难救援的未来

2017 年 8 月，飓风哈维席卷德克萨斯州和邻近的墨西哥湾各州，留下了创纪录的 3000 万加仑迅速变脏的水，联邦紧急事务管理局（通常称为 FEMA）立即就位。来自卫生和公共服务部和海岸警卫队等不同联邦机构的人员中，有许多城市搜救队，他们是在大规模危机中寻找人员的专家，无论他们是被困在屋顶上，还是被困在废墟深处。

尽管这些救援人员拥有丰富的专业知识，但他们并不是孤军奋战。他们配备了监听设备、热探测设备，最重要的是，还有一些忠诚的嗅探器。“我们用狗作为定位工具，”纽约警察局 K9 部队的斯科特·马特亚舒克 (Scott Mateyaschuk) 说。“这些狗会在建筑物倒塌的情况下找到活人的气味。”在为联邦紧急事务管理局工作期间，马特亚舒克还帮助训练和部署全国各地的救灾犬，该机构本质上是一群在危机中动员起来的应急响应专家。

虽然犬类嗅探器是识别灾难废墟中受困人员的有效方法，但分析化学家多年来一直在实验室中努力开发机器人替代方法。他们认为，合成嗅探器可能与狗一样可靠，甚至比狗更可靠，在面对热量和湿度等外部压力时更有弹性，而且便携性更强。（截至撰写本文时，你无法用无人机吊起狗。）但尽管学术界对此感到兴奋，但地面上的人们仍然持怀疑态度。

人类最好的朋友和工具

人类至少从中世纪开始就利用犬鼻。警犬起源于中世纪的教区警察，他们除了维护宫殿外，还使用被称为“泥土犬”或“侦探”的猎犬来追捕不法之徒。17 世纪，居住在瑞士大圣伯纳德山口的僧侣用狗来寻找在雪中迷路的朝圣者。这些救命的狗后来与其他犬科动物交配，产生了更重、下巴更大的后代——圣伯纳犬。到了 19 世纪，训练警犬部队的科学努力正在进行中。比利时根特于 1889 年建立了被认为是第一所警犬训练学校。到第一次世界大战时，军方开始训练狗来寻找受伤士兵。

一千年后，最基本的技术——也就是狗——仍然大体保持不变。狗具有令人难以置信的嗅觉能力，鼻孔中嗅觉细胞的密度是人类鼻子的 100 倍。虽然人类通过相同的系统呼吸和嗅觉，但当狗呼吸或呼气时，空气通过两种不同的途径，一种用于呼吸，另一种仅用于嗅觉。它们还有另一个秘密：一种人类似乎完全没有的信息素检测装置。总而言之，这种特殊的鼻子使狗能够感知万亿分之一的气味——当人类训导员需要它们识别走失者最细微的气味时，这种微不足道的气味就派上用场了。

这意味着，过去的搜救犬和现在的搜救犬之间的主要区别在于训练。Mateyaschuk 说，将所有地区组织加在一起，FEMA 的搜救犬总数约为 285 只“活体搜寻”犬，这些犬经过训练，在发现活人时会吠叫，还有 85 只尸体搜寻犬，它们擅长辨认死者。这些狗来自各种品种：约 60% 是拉布拉多猎犬。其次最受欢迎的是比利时马林诺斯犬，占 FEMA 附属犬的 14% 左右。其他机构也有自己的搜救犬：例如，运输安全管理局 (TSA) 有 1,000 只狗部署在全国各地的机场。狗还接受过追踪入侵物种的训练，初步研究正在评估它们检测癌症的能力。

经过联邦紧急事务管理局审查的城市救援犬必须完成一项长期的训练课程，并通过毕业后验证程序，才能上野外作业。整个过程有时需要长达两年的时间——而且这还是在假设它们有机会上野外作业的情况下。如今，未来的救援犬都要经过严格的审查（双关语）。“9/11 之后，我们在进入这些不同的项目之前真的非常重视对狗的测试，”Mateyaschuk 说。它们首先要寻找的就是他所说的“狩猎驱动力”，这也可以描述为一种病态的取悦需求。虽然任何狗都能从城市搜索训练中学习到一些东西，但寻找某物——任何东西——以换取奖励的基本驱动力是无法教会的。

衡量这些精英城市救援犬的真正成功程度仍然很困难，因为唯一能知道狗是否成功识别出每个濒临危险的人的方法是通过诱捕模拟。在现实生活中，如飓风哈维或波士顿马拉松爆炸案，狗只能通过它们找到的人的数量来衡量；它们找不到的人的数量可能永远无人知晓。

然而，对城市救援模拟进行的研究令人振奋。2015 年发表在《荒野与环境医学》杂志上的一项研究分析了英国 10 对狗和训练员在四个月内进行的 25 项实验。研究人员发现，在模拟搜救环境中，狗的成功率为 76.4%，但他们指出，部分成功率受到高假阳性率的影响——狗有时会对错误的东西吠叫，理论上这可能会延迟它们识别正确的东西。在模拟搜索环境中对狗进行的其他实验研究发现，成功率高达 95%。

“犬科动物的独特之处在于它们能够在很短的时间内覆盖大面积塌陷区域，”马特亚舒克说。“目前还没有技术能够做到这一点。”

老狗能教会人类新技巧吗？

虽然马特亚舒克和其他与联邦紧急事务管理局有关的犬类训练员对他们的狗所做的工作感到满意，甚至感到自豪，但一些科学家认为，搜救机器人有朝一日可能会提供一种更快、更有效的方法来识别灾难中的受害者。前提是它们能准确地用鼻子识别。

索蒂里斯·普拉茨尼斯 (Sotiris Pratsinis) 是苏黎世联邦理工学院的工艺工程和材料科学教授，苏黎世联邦理工学院是瑞士的一所科技大学，位于大圣伯纳德山口以北约 3 小时车程处。在《分析化学》杂志最近的一项研究中，普拉茨尼斯和他的同事分享了一项关于便携式设备的初步研究结果，该设备可以嗅出被困人员。

普拉茨尼斯参与开发的系统不像是一只机器搜救犬，而更像是一个装有传感器阵列的金属盒子，它可以检测人类呼吸和皮肤中常见的化学物质，如丙酮、氨、异戊二烯和二氧化碳。它还可以检测相对湿度的变化，因为人类的口腔通常比周围环境湿润得多。理论上，如果发现一种或多种化学物质的浓度高于背景浓度，搜救队就会知道附近有人，即使他们被困在很深的地方。

“地震发生时，你需要覆盖的地区很大，”普拉茨尼斯说。“你有一小时的时间来救人，因为在那之后，存活率就会变得越来越低。”他想象着有一天传感器阵列可以制成便携式的。这样，急救人员可以在搜救灾难现场时拿着它，或者他们可以把设备悬挂在无人机上——这是联邦紧急事务管理局工具包中相对较新的一项——以便更快地部署。虽然狗在搜救过程中需要休息和喝水，但普拉茨尼斯指出，他的金属盒子永远不会疲倦。

不过，目前该设备仅限于实验室使用。在这项初步研究中，参与者被放置在无菌有机玻璃盒中以供观察。研究人员首先观察他们肺部释放的化学物质，然后观察他们皮肤释放的化学物质，最后观察皮肤和肺部释放的所有化学物质。研究人员发现，他们的传感器可以检测到十亿分之一的丙酮、氨和异戊二烯，“准确度高……精度高，便携式传感器前所未有”。

Pratsinis 希望，随着研究的深入和研究经费的增加，这种便携式传感器设备最终能够推向市场。其他研究人员也在开展类似的项目，包括模仿犬类呼吸模式，正如 Josh Dean 在 2013 年的PopSci专题中所记录的那样。但我们还需要多长时间才能看到这些技术投入实际应用，这只能说是猜测。“我们很想大肆宣扬，”他说，但目前，“样本量太小了。”类似的人体化学检测工作也是如此，例如其他分析化学研究，旨在有朝一日利用类似的传感器阵列识别港口船只上的人口贩运受害者。

但像联邦紧急事务管理局这样的机构表面上是这种设备的主要用户，但他们不确定这种设备是否必要或可行。搜救队驻扎在全国各地，通常只在危机时刻聚集在一起，这意味着标准化很重要。每个人都必须以相同的方式接受相同的设备培训，这意味着该机构在采用新设备方面是井然有序的——甚至可能很慢。鉴于联邦紧急事务管理局实际上没有自己的研发部门，这一点尤其正确。相反，它依靠外部探索委员会，并定期与另一个联邦组织——国家标准与技术研究所合作，审查新技术。

此外，Mateyaschuk 相信 FEMA 现有嗅觉系统——搜救犬的功效。“过去 13 年里，我参与了该系统的研究，出现了各种不同的系统，但都无法捕捉到狗的独特嗅觉体验，”Mateyaschuk 说道。“关于狗，有句话说，如果它没坏，就不要去修理它。”虽然 Pratsinis 投资于嗅觉设备的未来，但他承认，犬科动物仍然具有竞争优势。“我希望我们知道狗能发现什么，”他说。“狗不会告诉我们。”