博爾德聞起來有薄荷味……和清新的雪的味道。冰凍的水聞起來很純淨，彷彿還被困在頭頂的雲層中。陽光在落基山脈上閃耀，它們鐵鏽般的氣息與山松混合在一起。在穿過馬路進入科羅拉多大學博爾德分校之前，一輛卡車飛馳而過，用硫磺味的尾氣掩蓋了這些氣味。
當我走近時，流體機械師約翰·克里馬爾迪推開了一扇朝東的門，以便向我展示這些氣味是什麼樣子的。
科羅拉多大學工程中心的走廊寬敞而高大，旨在讓科學家們能夠建造機械巨獸。我們走進克里馬爾迪的工場，觀看他團隊的龐大創造：一個帶有薰衣草色欄杆的50英尺長的水箱。當我瞥見水面時，我幾乎期望看到鮭魚或小鯊魚在5000加侖的水中穿梭。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮支援我們屢獲殊榮的新聞報道，方式是 訂閱。透過購買訂閱，您將有助於確保未來能夠繼續講述關於塑造我們今天世界的發現和想法的具有影響力的故事。
突然，頂燈熄滅，一排高功率雷射器出現在水槽下方。一道光束向上切開，水箱中間爆發出一團看起來像綠色火焰的東西。這火焰以慢動作旋轉。一個點像孩子用拇指按壓橡皮泥一樣鼓起。其他部分被看不見的繩子拉扯著伸展開來。
這種水下火焰是一種氣味，或者至少是氣味在空間中漂移時的樣子。
建立這個實驗是為了讓科學家能夠研究動物和人類如何利用氣味導航周圍環境。這個問題構成了一項新的 640 萬美元專案的核心，該專案由國家科學基金會和白宮腦計劃資助，名為“破解嗅覺密碼”。
克里馬爾迪在談到這個專案時說：“我們想了解不同的生物是否進化出了不同的嗅覺導航策略，或者它們是否都趨同於類似的策略。”該專案涉及分佈在七所大學的科學家。
可以將該專案視為氣味界的 A 級團隊。這個科學小組有一個單一的任務：解開世界上最古老的引導系統——嗅覺是如何工作的。透過這樣做，該團隊的目標是教會機器人如何嗅聞。
如果一個氣味機器人聽起來很牽強，那就不應該，克里馬爾迪說。現代生活包含大量旨在模仿我們其他感官的技術。具有面部識別功能的攝像頭可以識別商店扒手或在 Snapchat 上交換面孔。人工耳蝸可以讓失聰的嬰兒第一次聽到媽媽的聲音。但是，對於嗅覺，卻沒有類似的技術。
匹茲堡大學醫學院的神經生理學家和 COC 小組成員內森·厄本說：“人們對其他感官的關注更多，尤其是在人類和靈長類動物中。”
因此，社會對我們如何嗅聞的機制知之甚少。我們知道鼻子裡充滿了嗅覺神經元——區分氣味的守門人——但對接下來會發生什麼知之甚少。大腦的哪個區域可以精確定位母親新鮮出爐的餅乾的位置？或者區分香蕉的氣味和花生醬的氣味？或者哪個大腦中心判斷煤氣從爐子洩漏時的濃度？
這種知識的缺失解釋了為什麼我們沒有氣味機器人。當警察需要找到炸彈或被困在雪崩中的人時，他們依賴犬類或其他動物，這使這些生物處於危險之中。克里馬爾迪和他的同事希望透過教會機器人如何嗅聞來將這種風險外包給機器人。
但是，構建氣味機器人的第一步是瞭解氣味是什麼樣子的。
太妃糖氣味
COC 專案負責人克里馬爾迪研究氣味的物理學和結構。
克里馬爾迪說：“我們能夠用自己的眼睛看到通常看不見的東西。”
氣味是一種化學分子，其質量足夠輕，可以被環境帶動。氣味透過空氣或水下傳播，最終觸發我們鼻子中的感測器——稱為嗅覺神經元。
想象一下，你正站在世界貿易中心一號大樓前。你的眼睛和視覺思維會剖析這座建築物，本能地感知玻璃和鋼鐵的輪廓，因為建築物向天空升起。根據克里馬爾迪團隊揭示的氣味景觀，我們的鼻子和嗅覺大腦區域以類似的方式解釋氣味。
克里馬爾迪說：“氣味雲是非常立體的。”此時，綠色的“火焰”在他實驗室的巨型水箱後面閃爍。
這種氣味景觀是透過雷射照射注入水箱一端的熒光化合物而產生的。這種化合物是一種替代氣味，或者是一種具有與氣味相同物理特性的化學物質。它在水下以與空氣中香味相同的運動方式流動——但速度較慢。
克里馬爾迪說，慢動作效果主要是由於粘度。粘度描述了物質對流體運動的阻力。例如，蜂蜜比葡萄汁更粘稠。水比空氣更粘稠。
克里馬爾迪說：“如果我們想用水模擬空氣中的東西，那麼我們必須考慮到粘度的差異。由於它在液體中移動，所以看起來會慢很多。但形狀是相同的。”
克里馬爾迪說，控制這兩種環境的物理定律完全相同。
當雷射束穿過水箱時，它不會顯示整個氣味雲，而只是顯示它的一部分。這單層資訊揭示了氣味雲的整體形狀。
氣味不會像霧或雲那樣以單個團塊移動。它們更像章魚團塊一樣蔓延，向一個方向射出觸手，然後再向另一個方向射出觸手。氣味的觸手是由水流透過水箱時的湍流形成的。隨著液體的移動，氣味像太妃糖一樣被拉成細絲。
當您考慮鼻子如何與氣味相互作用時，這種拉鋸戰就變得顯而易見了。克里馬爾迪實驗室的博士後研究員亞倫·特魯使用一個小水箱和一個管子構建了一個機械版本的鼻孔。
特魯說：“當您吸氣時，氣味基本上會被拉伸開來，因此您最終會得到非常薄的強濃度氣味區域。但是，緊挨著它，您會得到一個訊號非常低、氣味非常低的區域。”
因此，當您在花園裡停下來聞玫瑰時，您的每一次吸氣都在為其他人改變香氣。吸入會在氣味雲內部產生大的空白空間。這些空隙被稱為間歇性，它們在嗅覺上相當於照片中的負空間。
透過使用攝像頭和計算機分析這些運動，研究人員瞭解到間歇性並非混沌無序。
研究生肯尼斯·普拉特在我們盯著旋轉顏色的分屏時告訴我：“氣味絲往往會自行排列。”
左側面板顯示了氣味濃度，以綠色陰影表示——深綠色表示氣味濃郁，而黑色區域表示間歇性。右側面板表示氣味在拉伸時所受到的物理應力。普拉特解釋說，氣味首先會收緊成這些長而緊張的細絲，但隨後它們會彎曲並相互摺疊。
嗅覺虛擬現實
這些視覺模式為計算氣味如何移動的數學方程式奠定了基礎。從理論上講，這些公式應適用於所有介質，但水和空氣之間可能存在細微差異。
一年級研究生瑪吉·麥克休正在構建實驗室氣味水槽的空氣版本，以進行二次檢查。她的實驗使用丙酮——指甲油氣味的罪魁禍首。紫外雷射將揭示其原本不可見的運動。
麥克休說：“應該不會有太大的差異，但我們這樣做是為了隨後為我們從事動物實驗的合作者重建這些系統。”
克里馬爾迪實驗室的工作為建立水下和空氣中的虛擬氣味競技場奠定了基礎。目前，他們的雷射束僅繪製了氣味雲的單層切片。但最終，該團隊計劃來回移動雷射束，以便計算機可以構建整個氣味羽流的 3D 模型。
克里馬爾迪說：“我們計劃利用在 3D 空間和時間中進行的這些測量來建立一個氣味景觀資料庫。”
克里馬爾迪的合作者計劃將這些氣味景觀吹入一個封閉的競技場——尺寸和設計專門為果蠅、小鼠、狗或人類設計——從而建立嗅覺虛擬現實。
克里馬爾迪說：“團隊成員正在研究動物的大腦，以直接視覺化它們對氣味輸入的神經反應。”
一旦 COC 團隊比較了筆記，他們應該會得到不同大腦對各種氣味景觀做出反應的精確輪廓。然後，從理論上講，該專案可以將這些行為反射編碼到機器人中。
克里馬爾迪說：“因為在某種程度上，從程式設計機器人的角度來看，您可能不需要以我們大腦的方式、或者大鼠大腦的方式、或者果蠅大腦的方式來做這件事。您可能只是想複製基本本能。”
通往氣味機器人的道路
氣味是化學信標，可以傳達有關環境的有趣資訊。如果您曾經聞到麵包店的氣味並轉過頭，那麼您就已經使用嗅覺進行導航了。然而，這些氣味地圖是日常人類生活中被忽視的一部分，這種偏見已經蔓延到科學家研究我們感官的方式中。
具有諷刺意味的是，嗅聞——或嗅覺——在科學優先事項列表中排在最後，因為它最先出現。
COC 團隊成員、紐約大學的電生理學家凱瑟琳·內格爾正在探索果蠅如何轉向以響應氣味。她說：“嗅覺是遠古進化的組成部分。細菌使用嗅覺，單細胞生物使用嗅覺，蠕蟲使用嗅覺。”
這種實用性表現為行為。甜美的氣味將蜜蜂吸引到花朵，促進授粉和農作物生存。一隻漂泊信天翁可以從三英里外嗅到一塊漂浮的腐肉，而腐爛動物中發現的硫化物化合物曾經被新增到 40 英里長的輸氣管道中，因此可以用禿鷲及其巨大的喙來發現洩漏。成年鮭魚利用嗅覺線索跨越數百英里，以找到其出生地併產卵。
該團隊正在研究各種動物，以解開這些行為。加州大學伯克利分校的進化生態學家露西亞·雅各布斯正在檢查搜救犬，以瞭解它們的技能與其他超級嗅探者（如寄居蟹和蟑螂）相比如何。厄本和匹茲堡大學的數學神經科學家巴德·厄門特勞特使用紅外線追蹤小鼠的鬍鬚，因為齧齒動物會沿著氣味軌跡前進。然後，厄門特勞特可以將這些本能程式設計到計算機化的小鼠中。
克里馬爾迪說：“我們能創造出氣味視覺或氣味機器人嗎？我不知道。我們真正嘗試的是從機械論的角度理解大腦是如何工作的。我們不一定知道我們會發現什麼。這是令人興奮的部分。”
這是三部分系列文章的第一部分。
本文經 PBS NewsHour 許可轉載。它於 2016 年 6 月 9 日首次發表。