在密苏里州奥扎克山脉以北，一片玉米地随风轻轻摇曳，神经科学家 John Kauer 穿梭于一块布满地雷的草地上。他挥舞着一个一英尺长的拉丝铝盒，用它黑色的手柄，在地面上来回扫动。除了玉米杆的沙沙声，一片寂静。然后，盒子突然用图夫斯大学（波士顿）Kauer 实验室一位前戏剧系学生录制的声音喊道：“地雷！”
在这个占地 22 英亩的政府测试场地里，退役的地雷被用来帮助 Kauer 寻找一种更好的方法来定位埋藏在阿富汗、波斯尼亚、柬埔寨以及其他过去和现在的战区中约 1.1 亿枚真实地雷。“由于它们难以找到，人们失去肢体和生命，依赖农业为生的国家在战争后无法重建，”他说。在世界大部分地区，扫雷是一项缓慢而危险的工作，由穿着凯夫拉防弹衣的工人爬行，用一根 18 英寸的玻璃纤维或木棍触摸地面来完成。金属探测器无法探测到现代地雷的塑料外壳；经过训练的狗既昂贵又难以维护。因此，Kauer 正在研究一种可以嗅探出地雷的机器——一个电子鼻。
近十年来，公司一直在销售用于监测一氧化碳和其他空气中气体的化学传感器，但地雷探测需要更高水平的复杂性。TNT 及其化学前体 DNT 的痕量物质会从地雷中挥发出来，在地面上方极近的浓度下漂浮，浓度不超过十亿分之几。找到这些零散的 TNT 和 DNT 分子需要极高的灵敏度和选择性。Kauer 还没有完全达到目标——他的测试运行需要接近最佳的天气条件，并且会漏掉许多潜在的致命爆炸物——但他和其他电子鼻技术的先驱者正接近成功。这项技术可能很快会找到广泛的应用：诊断疾病、改善机场安全、监测食品安全，甚至增强你自己的嗅觉。
四年前，国防先进研究项目局（DARPA）通过其耗资 2500 万美元的“犬鼻计划”（Dog's Nose Program）推动了气味识别研究。“这个想法是将犬鼻的感知能力赋予人类，”该项目的时任经理 Regina Dugan 说。出现了两种不同的解决方案。Kauer 和他在图夫斯大学的团队致力于创造一个真正意义上的电子鼻，能够区分各种各样的气味。马萨诸塞理工学院的化学家 Timothy Swager 和他在俄克拉荷马州斯蒂尔沃特的 Nomadics 公司（Nomadics Inc.）的合作伙伴，则一心专注于对 TNT 和 DNT 的灵敏度——这是一种不太通用但更实用的方法。因此，Nomadics 的设备，名为 Fido，是第一个能够在现实世界中嗅探地雷的人工鼻子。
Fido，一个电子鼻，可以通过感知地雷的化学蒸气来定位地雷。二战时期的金属探测器无法探测到现代的塑料外壳地雷。摄影：C. Reding/NOMADICS
Fido 通过涂有 Swager 开发的荧光聚合物的微小玻璃管吸入空气，该聚合物能够结合 DNT、TNT 和相关分子。通常，聚合物在紫外线照射下会发光，但在爆炸物颗粒附着的地方，荧光会减弱。光电倍增管会检测光线并将其转化为电信号，然后该信号会被放大并发送到计算机。这项技术足够灵敏，能够从仅 3000 万个空气中的爆炸物分子中检测到地雷，并且足够实用，可以在实验室外使用。“年底，我们希望能够推出产品，”Nomadics 的总裁 Colin Cumming 表示，他预计该设备的成本将低于 5000 美元。但这家公司的电子鼻有一个致命弱点。尽管 Fido 对 DNT 系列化合物非常敏感，但它也会对化学成分与 DNT 相似的无害分子做出反应。这会导致误报。
Kauer 的工作基于他关于大脑如何编码气味的理论，他借鉴生物学来解决类似分子识别的问题。与 Fido 的精细探测器不同，他的电子鼻依赖于 32 个宽谱荧光传感器阵列来模仿人类的嗅觉系统。我们没有专门的橙子或咖啡受体。相反，我们使用各种化学性质活泼的细胞，每种细胞都能对多种不同的线索做出反应。从一杯咖啡或一个剥了皮的橙子散发出的蒸气会在这些细胞中引发独特的电活动模式，然后大脑将其解释为一种特定的气味。Kauer 没有专注于 DNT，而是构建了一个能够类似地感知其环境整体气味的系统：“我们希望它尽可能‘粗糙’。”
这种“粗糙”是有代价的。去年秋天，当犬鼻计划组织了一场比赛时，Fido 在探测 DNT 方面的灵敏度是图夫斯传感器的 100 倍。自那时以来，Kauer 的团队升级了光学系统，改进了气流，并重建了电子设备。最近，在阿拉巴马州奥本大学的试验中，图夫斯电子鼻与探雷犬进行了正面较量。研究人员将一种芳香化合物泵入一组笼子。经过训练，如果能检测到气味就会按下杠杆的狗，与它们的电子替身竞争。“我们的灵敏度可能比最好的狗差 10 倍，但与最差的狗差不多，”Kauer 的合作者之一 Joel White 说。
Nomadics 也在进行进一步的改进，最值得注意的是一种吸附装置，可以吸附土壤中含有 TNT 副产物的尘埃颗粒。在来年，该公司计划开始与实际的扫雷人员进行试验。“关键是与现场人员合作，满足他们的需求，让他们能够采用，”Cumming 说。
与此同时，其他研究人员正将电子鼻应用于不那么严峻的问题。在犬鼻计划的支持下，加州理工学院的化学家 Nathan Lewis 开发了另一个基于聚合物的系统，其中某些气味会导致传感器轻微膨胀。虽然这种方法缺乏探测地雷的灵敏度，但可以轻松小型化。Lewis 将他的技术授权给了加州帕萨迪纳的 Cyrano Sciences 公司。去年九月，该公司开始销售售价 8000 美元的便携式嗅探器，用于监测食品、空气和包装质量。现在，Cyrano 公司正在资助研究基于气味诊断上呼吸道感染。同样，英国克鲁的 Osmetech 公司正在等待美国食品药品监督管理局（FDA）批准一种多传感器气体传感阵列，用于筛查引起尿路感染的细菌。
DARPA 的 Regina Dugan 设想了电子鼻在军事方面的应用，具有可互换的墨盒，每种墨盒都专门用于一项任务：测量坦克柴油中的污染物，探测机场的毒品，或者在化学战剂的痕迹飘过时发出警报。“理论上，消费类应用也是可能的，”她补充说——也许是冰箱里的食品安全监测器，或者用于检查室内污染物的传感器。
有一天，仿生鼻甚至可能取代我们自己的鼻子。White 设想有一天，一个超灵敏的电子鼻可以直接连接到人脑，让我们能够探索我们宠物目前所体验到的生动多彩的气味世界。毕竟，科学家们已经开发出能够连接听觉的耳蜗植入物，并且在硅基视觉假体方面取得了惊人的进展。但 Kauer，他职业生涯一直致力于解码气味的过程，直到他“闻到”了，他才会相信。“鼻子是极其复杂的，”他说。
国防先进研究项目局（DARPA）在 1997 年启动犬鼻计划时，曾制作了一份不错的概述。该网站现在有些过时，但很好地展示了研究目标和各团队的方法：web-ext2.darpa.mil/ato/programs/UXO/html/making.html。
几家公司和研究团体在网上提供了有用的信息。Nomadics (www.nomadics.com) 设有专门介绍地雷探测的板块。Cyrano Sciences (cyranosciences.com) 和 Osmetech (www.aromascan.com) 讨论了现有电子鼻的使用情况。
请查阅《Discover》杂志的档案 (www.discover.com)，了解更多关于 Nathan Lewis、Cyrano Sciences 以及他们 Cyranose 的当前和潜在用途的信息：“未来食品”（"Future Foods"），作者：Brad Lemley，2000 年 12 月；以及“电子鼻”（"The Electronic Nose"），作者：Gary Taubes，1996 年 9 月。
国际禁止地雷运动组织 (www.icbl.org) 的网站内容更新缓慢但内容详实，包含地雷问题的照片和信息。该组织因其努力而获得了 1997 年诺贝尔和平奖。
