那些狗仍然让AndreasMershin很生气。这位希腊俄罗斯裔科学家在他的MIT办公室说道：“我的意思是，我爱狗。但那些狗让我很没面子。”
他打开了一个视频让我看看他说的是什么意思。视频里面，一条叫做Lucy的黑狗依次走向6个用小围栏隔开的检测点。每个点那里，在与狗的鼻子持平的高度都放了一杯用盖子盖上的人的尿液样本。Lucy会去闻每一个样本，有时候会凑近一点好闻得更仔细一些。她在进行的是某种诊断试验：在男性尿液里面寻找易挥发、可辨别的前列腺癌迹象。不过，可辨认只是对狗而言。Lucy找到自己要找的东西时，她就会坐下来摇尾巴，然后得到一份好吃的。
拥有造物神迹的人类可以让行李箱自动行走，可以让火箭推进器重复利用，但是检测前列腺癌却是出了名的难。一般的做法是靠验血来测定一种叫做前列腺特异性抗原（PSA）的蛋白质增加程度。但这种办法的履历很惨。第一位发现PSA的科学家形容这种测试“有效性几乎跟抛硬币无异。”误报会导致前列腺穿刺，这是一种撕心裂肺的体验，需要用一根很大的空心针刺过直肠壁提取前列腺组织样本。
不过，训练得当的狗狗却能把检测前列腺癌的准确率提高到90%以上，而且效率也很高，摇摇尾巴即大功告成。在视频里面，Lucy只需几分钟就完成了对6个样本的检测。这让Mershin很抓狂。他说：“我们在楼下有价值1亿美元的设备。可这条小狗就能击败我？这很让我感到恼火。”
Mershin不是医生。他的专业是物理学家，是LabelFreeResearchGroup这所要打破物理、生物、材料科学以及信息科学界限的实验室的负责人。Merchin的办公室里面，有一副可检测脑电波的太阳镜，有航空杂志，泌尿学、意识机制以及Python编程方面的书籍。他的语速很快，口音介乎希腊和俄罗斯这两种母语之间，会尽量用最没有挑衅性的方式改变话题。他拒绝穿配对的袜子，理由是袜子为什么一定要配对？他身材有点矮胖，讲到兴奋时一头棕色的卷发会止不住浪起来。
尽管MIT这里有各种实验室。但我之所以来这里是因为Mershin的实验室从事的是全世界最重要的研究之一——开发人工嗅觉。
现如今以不乏会听会说甚至会（简单）思考的机器人了。但会闻的机器人你找找看。这部分是因为嗅觉一直都被人类这种严重仰仗脑和眼睛的势利种族低估。Kant对嗅觉不屑一顾，认为它是我们的5种感觉中“最可有可无”的。2011年的一项调查发现，16到22岁的人群中53%者宁愿放弃嗅觉也不愿放弃手机或者电脑。
所有这一切揭示的不仅仅是有关狗的秘密，而且也是有关物质世界本身的秘密。事件、疾病以及心理状态会在空气中留下讯息——高度灵敏的嗅觉器官系统可以感知到它们，但科学却难以辨认。似乎嗅觉有时候是检测识别世界上原本隐匿的事物的最佳办法。而且检测同样事物的次佳办法往往不是奇贵无比（气相色谱分析/质谱分析）就是巨折磨人（活组织检查）或者不可能（测心术）。
不幸的是，我们还没有会闻的机器人的另一个原因是嗅觉器官仍然是生物学的一个顽固的未解之谜。科学家仍然在拼凑我们感知所有那些挥发性化合物的方式，以及我们的大脑是如何对这一信息进行分类的的基本要素。杜克大学的研究人员HiroakiMatsunami说：“未知的东西要多于已知。”
不过Mershin认为，其实我们无需理解哺乳类动物嗅觉是如何产生的才能制造人工鼻子。他打赌反其道而行之可能会有效：要想了解鼻子，我们得先造个出来。在杰出导师ShuguangZhang（张曙光）的共同努力下，Mershin已经造出了一个可以与狗狗——他的喘气敌手一争高下的设备。
现在1个多世纪已经过去了，还没有人能测出气味，甚至对气味是振动还是微粒间的化学交互作用大家还有不同意见。实际上，直到1991年科学家才弄清楚哺乳类动物嗅觉的基本遗传与生物建构块是什么。那一年，生物学家LindaBuck和RichardAxel发表了一份奠基性论文；他们发现了老鼠约1000个嗅觉器官受体的1000个基因，并且证明了这些受体是哺乳类动物嗅觉的开始。这些受体位于嗅上皮，鼻腔顶部（正好跟脑壳相连的地方）一层薄薄的组织。我们深呼吸的时候，就把挥发性分子吸入到鼻腔跟那些受体接触，后者再引发一系列连锁反应，最后给我们的大脑发送消息。
至于这些交互的准确性质，Buck和Axel也只能推理。他们假设我们鼻子内的嗅觉受体与空气中的分子之间存在某种锁—钥关系。但是他们发现的受体数量马上引出了一个数学问题。人类约有400种受体（远少于老鼠），但我们却能闻出约10000种气味。于是Buck和Axel推断嗅觉是组合型的。其研究表明，每一种受体均就绪对独特的几种分子做出反应，当许多受体同时开动时，我们的鼻子就能感知独特的气味。彼时任塔夫斯大学研究人员的JohnKauer形容这就好比钢琴演奏。他说：“钢琴只有88个键，如果一种气味只能使用一个键的话，你只能检测出88种气味。”但如果气味更像和弦的话，数学上就说得过去了。
Buck和Axel的发现获得了2004年的诺贝尔奖。在他们的启发下，Merchin等科学家设想气味是分子的简单列表。按照这种思路，如果想要弄清楚蒜头的气味，答案应该要从化学成分中寻找。2000年代中期时，Merchin相信“在这些分子里面写入了大蒜的气味。”
Buck和Axel的重大发现发表后不久，就有人开始做人工鼻子里。DARPA希望用工具来取代狗来排雷，于是1997年，该机构投入了2500万美元来支持一个叫做狗之鼻（Dog’sNose）的计划。他们组织科学家造出了一对嗅探机器，然后送到密苏里的一个埋了各种各样去掉引信的地雷的地方进行测试。
Kauer造了一个鞋盒大小的灰色设备，最后他给它取名为ScenTrak。他的设备里面装的并不是受体，里面塞满了高分子聚合物，这些东西会对DNT做出反应，而后者是大部分地雷的常见分子。ScenTrak遇到爆炸物时，DNT会触动聚合物做出反应，然后ScenTrak就会发出“地雷！”的警报。
至少这是理想情况下的工作方式。在无气味的实验室内释放DNT的话，ScenTrak可以跟踪附近DNT的踪迹。但是在野外时，机器就困惑了。聚合物是对DNT做出了反应，但是对天气、植物，或者特定类型的土壤也有反应。
参加比赛的还有其他设备，Fido和Cyranose是其中之一。它们都用了对特定化合物敏感的聚合物。但是功能性均比较弱。（Fido目前用于军事检查站扫描近距离范围内的爆炸物）但其实这些设备的嗅觉跟一氧化碳传感器的能力也差不多。在气味丰富的环境下，这些玩意儿就不管用了——因为有些非爆炸物也会散发相同的气味。
这部分是因为这些设备的建造理论太过简化。狮子今日，大多数科学家均认为嗅觉结合的锁—钥理论太简单了。某些情况下，形态非常相似的分子也会有完全不同的气味；而有时候形态非常不同的化合物闻起来却很像。换句话说，分子的形态跟气味并不能等同。相反，很多受体跟很多不同的分子是绑定的，反之亦然。但每一种受体跟每一种分子都存在着部分科学家所谓的独特的“姻亲关系”。现在的理论认为，正是这种特殊的姻亲关系，加上嗅觉反应的组合性，才造就了独特的气味。钢琴的演奏不仅只有88个键盘，还有踏板和力度来形成和弦。同样地，嗅觉的理论也变得更加复杂。
狗不是完美的嗅探者。它们会沮丧和疲惫。它们会看主人脸色。当然，狗也不能规模化。
Mershin和Zhang是奇怪又和谐的一对。同样的路线Mershin很少会走第二次。从MIT餐厅去他办公室的路上我们迷路了，他承认自己经常迷失——“想法上也会，跟走路一样。”用他的话来说，他是诵读困难者，联觉者，粉红/灰色色盲，脸盲，还有注意缺失紊乱症。有时候他会忘记自己的地址。他还有没完没了止不住的好奇心。他说：“我这辈子不适合只做一件事。但我确实很喜欢跟专注于把一件事情做得非常好的人共事。”
Zhang发现：嗅觉受体是膜蛋白，属于复杂的异形小构造。每个受体形状就像反复缠绕薄膜的一条长串，将细胞与外部世界隔离。如果那种复杂的缠绕模式被打断或者改变的话，受体就不会工作。如果受体歪了或者倒置呢？也不行。
受体约有一半位于细胞外，做好了跟分子交互的准备。然后有个中截面位于细胞膜里面，剩余部分在细胞内。当受体外面部分绑定一个分子时，它就会改变形态，细胞就会向大脑发送信息。虽然受体的头、尾（分别位于细胞外部和内部）都很爱水，但中间部分就像包裹它的细胞膜一样，都很怕水。这意味着当你把受体从细胞中取出放到水里面的话，它们往往会缩成一团而不是溶解，这样就不可能分离出来进行分析了。
尽管如此，Zhang的工作被证明还是很有用的。2007年，DARPA推出了第二个嗅觉项目，RealNose。伊拉克和阿富汗战争赋予了RealNose新的使命和紧迫性。这次这些机械鼻子的任务不是找地雷，而是要识别IED（简易爆炸装置）。科学家这次不能用聚合物或者其他合成设备来模仿受体所为了。他们得用哺乳类动物嗅觉受体作为传感器。
在争取DARPA资金方面Zhang相对于其他科学家有一大优势。他的实验室是全球仅有的有经验通过胚胎细胞培植嗅觉受体然后对其进行处理的实验室之一。但是Mershin对DARPA的要求并不感冒，试图说服对方这是个糟糕想法。如果使用合成的东西更容易的话，为什么要用实际的生物结构呢？而且合成的东西还不会因为倾斜或者倒置而失效。他是这么想的：“当然，我们想像鸟儿一样飞翔，但我们的引擎可不是用羽毛造出来的。我们想要的是比鸟儿更好的东西！”Mershin只想要一个能告诉你屋内有什么样的分子的传感器。但他也不想失去那笔钱，所以他让步了。
Mershin和Zhang决定在实验室培植一批嗅觉受体，然后基本上算是把它们粘到电路板上。他们发现，如果涂上足够的受体，最终就能让它们朝向正确的方向。然后他们再将电路板连接上电流。当受体跟挥发性化合物交互时，它们就会改变形状，就像在正常的鼻子里面所做那样。不过随后消息并不是发往大脑，而是以电流跃变的方式记录下来。
在一个早春的晴天，Mershin带我去到他的实验室然后从一堆纸箱里面翻出了一个旧的人工鼻子原型。他用一只手拿出了一个有两个随意用环氧树脂固定的金属喷嘴的塑料瓶。另一只手里是一块薄薄的晃荡着一些电线的塑料芯片。“这就是第一个鼻子了，”他说。
这是个失败。受体似乎有用，但瓶子太大了；那味道久久不散导致科学家无法获得清晰读数。于是她们制作了更多的原型，用不同的办法把合适的气味气流引导到芯片，然后是不同数量的芯片。
折腾了一堆原型之后，Mershin终于做出了叫做Nano-Nose的设备，这是Zhang交给DARPA的成品。整个装置大概有特大号烤盘那么大，上面还写有“美国联邦政府资产”的字样。Mershin说：“因为是给DARPA准备的，我们必须让它看起来防弹。”
做完原型之后，他们开始一种使用了由8块电路板组成的阵列的设计，这些电路板每一块都是信用卡大小。在防弹金属内部，每一块板都放在密封舱内，能够各自接收自己的气味，并用自己的电子模式予以响应。他们做了一个气泵来模仿深吸，将气味送入盒子内，并引导到每块板上。
DARPA给了他们一份清单，上面列出了要求他们的机器识别的气味。于是，Mershin和Zhang首先把这些气味送给Nano—Nose，然后记录器响应；其想法是在笔记本和模式识别算法的帮助下，训练鼻子去闻应该要闻的东西。然后，在实际测试中，他们会对每一种神秘的气味进行8次取样——每次通过8个密封舱中的一个——然后再用不同的电流去试，这相当于一个淘汰的过程，旨在帮助模式和识别算法筛选掉误报。虽然没有数据挖掘超级计算机那么复杂，但他们认为这也许管用。
DARPA的测试是高度受控的。进行试验的时候，Mershin和他的团队均不能进入现场，甚至Mershin上厕所都有保安跟着。午饭期间，团队得争分夺秒把人工鼻子带回酒店客房，一边订餐一边往上焊东西来不断改进这台设备。
他们的疯狂冲刺终于有了回报。Nano-Nose通过了嗅探测试，能够在实验室感知隔离的气味。在受控环境下它甚至击败了狗，能嗅探出连狗都检测不到的低浓度气味。对他来说，这个项目揭示了嗅觉的一个重要的基本点：我们的鼻子不是分析工具。鼻子不会分析气味的构成。Mershin说：“携带信息的是分子。”但光靠分子你是无法理解我们的感觉如何的。“我们以为当你闻东西的时候，就会冒出一个分子和浓度清单。不是这样的。”
Mershin意识到，理解嗅觉并把它当作工具使用并不需要一份分子清单。他需要知道的是哪些东西闻起来类似，而不是它的构成，这两个是完全不同的。他说：“这是我整个科研生涯当中学到的最大经验。我们以为自己知道了鼻子的工作机制了。但其实我们什么都不知道。”
9月，一个温暖的周日，我跟一条名为Kato的德国牧羊犬一起找骨头，训练它的目的是搜寻人体残骸。Kato和它的主人PeggyThompson是执法机构的志愿者，帮助寻找失踪的背包客，野火伤亡者以及犯罪受害者。
然后我们把Kato放出来，Thompson一声令下，之前还很友好的小狗突然就忙活起来。它不断地反复迂回，鼻子贴着地面仔细的移动着。5分钟之内它就找到了那块皮。剩下的骨头和牙齿顶多再用了10分钟。
虽然Nano-Nose令人印象深刻，但是它得用满满一箱的电路板才能复制Kato所做的一切。PaulWaggoner是奥本大学研究犬类嗅觉的科学家，据他估计，我们距离创造出可与自然嗅觉能力匹敌的机器还有“几十年”的差距。Waggoner自己也有获得专利的搜寻犬训练计划，他认为机器在嗅探过程中很早就出问题了：“一切都要从采样开始。”基本上机器嗅得不是很好。狗每秒钟可以呼吸5次，通过不同的通道吸入和呼出气流。这种呼吸法会制造压差——一种气味的涡流——这样每次呼吸都能带来丰富的新的样本进入鼻子。虽然Nano-Nose能够把焦点集中在目标气味上，但狗在如此远距离的范围做到这一点的能力令人震惊。
当Kato终于捕捉到那种气味后，它的大脑会发生什么呢？呃，这个没人知道。从嗅觉受体到大脑处理和理解信息，这条处理链条越往上，“就变得越黑暗，”Waggoner说。
尽管如此，狗狗本身并不是完美的嗅探器。第二次拜访Thompson时，我看到了一条3岁的玛伦牧羊犬Annie，它在追踪一块骨头时遇到了附近的几只猪，然后就彻底失去注意力了。Thompson解释说：“当狗对东西不习惯时，情况就很困难了。”狗会沮丧，会疲惫。要看主人脸色。当然，狗也没法规模化。训练有素的搜爆犬和嗅病犬不仅短缺而且昂贵，最贵要25000美元。美国的安保部门已经不够用了。医疗检测犬甚至更加棘手：不仅数量少，而且很难部署到医疗环境里面。尽管狗子检测早期癌症方面的精确度很高，但并未获得广泛采用。
回到MIT实验室后，Mershin从架上取出一个蓝色盒子。里面装满了绿、蓝、黑等各色电线。把几根线插好之后，我看到了一块信用卡形状的白色塑料。这就是他们新的Nano-Nose，跟送到DARPA测试的盒子相比尺寸已经缩小了很多，并且改进过了。（那些电线都是外设，是用来把气味和电流注入鼻子的）
过去几年Zhang一直在折腾他们用于Nano-Nose的嗅觉受体。最重要的是，他不再通过胚胎细胞去配置受体了，而是构思出了一种以生物惰性形式培养的办法。现在一切都是在试管内进行了。受体仍然难以处理——Mershin说这是目前设备最困难的部分——但是现在受体更稳定了。Mershin和Zhang还在逐步缩小Nano-Nose电路板的尺寸。这意味着整个装置现在可以附着在生物反应器的端口上去嗅探内部发生了什么。它可以进入工厂去闻产品的质控，或者放到谷仓内去闻有没有发生变质。但是Mershin和Zhang说目前他们还没有兴趣把研究变成生意。
目前为止，只有一家公司有胆量设计使用嗅觉受体的商业技术（跟Nano-Nose非常类似），这是硅谷的一家小初创企业，名字叫做Aromyx。从某种程度来说，其野心甚至比Mershin和Zhang还要大。Nano-Nose只用了20种受体，并且要基于目的定制每一种鼻子。但Aromyx却想把400种人类嗅觉受体全都集成近EssenceChip里面，这是一块3x5英寸的塑料板，上面布满了小坑来放置受体。EssenceChip暴露于气味中时，受体就会工作，而芯片会记录其激活模式。可口可乐或者香奈儿5号香水的气味是怎样的？答案仍然不是分子列表。Aromyx创始人ChrisHanson说：“是受体的响应模式。”迄今为止，Aromyx只能稳定少数受体。其想法是随着受体种类增加，他们的设备的数字嗅觉也会越来越好越来越精细。
Hanson说：“这是窥探人类感觉体验的一扇窗口。”就算是，那也是很脆弱的一扇窗口。Aromyx还在用酵母细胞来配置受体，而且还在为弄出可演示的基本产品而努力。一次公司在搬家过程中一些细胞株还被破坏了。
至于Mershin，他对Nano-Nose的样子之凌乱感到尴尬，但当我们说道它的潜在应用时，它开始眉飞色舞。目前，Nano-Nose还只是个检测器。它不能解析所收集的数据。但Mershin和Zhang希望它变得聪明起来——就像狗一样。而Mershin的办法是，跟自己的竞争对手——那些狗狗合作。Florin和Lucy均属于英国的一个叫做MedicalDetectionDogs的团体，后者曾经训练了很多的动物来嗅探癌症。
目前，Mershin和Zhang正在用一堆数据来训练一套AI系统，其中一些是MedicalDetectionDogs所收集的有关动物对特定尿液样本的响应数据——包括动物是否对癌症发出警告，喘息的时长等，有的则是Mershin和Zhang用气相色谱仪/质谱仪分析同样尿液样本的结果。Mershin说这些数据流可帮助他们挑选需要的受体植入Nano-Nose。但主要的事件还是用Nano-Nose跑同样一批尿液样本并且收集其响应数据。之后他会挖掘3套数据集来寻找关联。Mershin已经把尿液冷藏进实验室里，一切都已准备就绪。
其想法是最终去跑类似图灵测试的东西，不过对象是嗅觉——去模仿狗的结果，知道没人能分辨出Nano-Nose的反应与犬类的区别。如果一切顺利的话，Nano-Nose将不仅仅只是感知设备，还会变成真正的诊断工具。数据库越丰富，鼻子就会越好。
很强大的想法，但是也有点令人不安。你对自己的气味数据有多大的控制？如果你的手机能嗅探你的话，其他设备会不会做同样的事？如果数字嗅觉传感器小到可以装进你兜里的话，也许就会变得无所不在，就像之前的摄影机一样。如果你的疾病和心理状态突然之间在空气中留下了清晰的报告的话，你身边的人和医生无疑会对解读它感到好奇（比如你的保险公司）。
DolbyLabs的首席科学家PoppyCrum对Nano-Nose这样的技术表示支持，她相信这可以普及早期疾病诊断。但她也把人工鼻子视为一系列崛起中的技术之一：那些利用传感器和数据去弄清楚隐藏的内部状态的技术。这些技术据您需要新的透明性以及数据的用户控制标准——这些标准不应该由公司或者研究人员来制订。Crum说：“我认为这些东西应该立法。”
至于Mershin，他倒不担心嗅觉监控这种情况的出现。相反，作为一个兴奋过头的人，他害怕一个设备会发送气味的世界。“我对所有那些可以闻你的技术都表示支持。但是我对那些希望你去闻它们的技术表示警惕。不要手机让开始把气味放进你脑子里。糟糕的想法。”换句话说，让你的手机成为你的狗；而你才是处理的那个人。