Die Hunde machen Andreas Mershin immer noch wütend. "Ich meine, ich liebe Hunde", sagt der griechisch-russische Wissenschaftler in seinem Büro am MIT. "Aber die Hunde schlagen mir ins Gesicht."
Er zieht ein Video hoch, um mir zu zeigen, was er meint. Darin nähert sich ein schwarzer Hund namens Lucy einer Reihe von sechs Stationen, die jeweils durch eine kleine Barriere getrennt sind. Bei jedem sitzt eine Glasschale menschlichen Urins mit einem abgeschirmten Deckel auf der Höhe der Nase des Tieres. Lucy schnüffelt kurz an jeder Probe und steckt manchmal ihre Schnauze hinein, um einen besseren Hauch zu bekommen. Sie führt eine Art diagnostischen Test durch: Sie sucht nach dem verräterischen Geruch von Prostatakrebs, der, wie sich herausstellt, eine flüchtige, wahrnehmbare Signatur im Natursekt eines Mannes hinterlässt. Jedenfalls erkennbar, ob Sie ein Hund sind. Als Lucy findet, wonach sie sucht, setzt sie sich und bekommt eine Belohnung.
Unter Menschen, deren Werkzeugbaukünste der Welt selbstfahrende Koffer und wiederverwendbare Raketenverstärker beschert haben, ist Prostatakrebs bekanntermaßen schwer zu erkennen. Die vorherrschende Methode besteht darin, das Blut eines Patienten auf erhöhte Spiegel eines Proteins zu untersuchen, das als prostataspezifisches Antigen bezeichnet wird. Aber der Test hat eine miserable Erfolgsbilanz. Der Wissenschaftler, der PSA zum ersten Mal entdeckte, beschrieb den Test als „kaum effektiver als ein Münzwurf“. Ein falsches Positiv kann zu einer Prostatabiopsie führen, einem erschütternden Verfahren, bei dem eine große, hohle Nadel durch die Wand des Rektums gestochen wird, um sie zu entnehmen eine Gewebeprobe aus der Prostata selbst.
Richtig trainierte Hunde können dagegen Prostatakrebs mit einer Genauigkeit von über 90 Prozent und einer effizienten Schwanzwedelung erkennen. In dem Video arbeitet sich Lucy in nur wenigen Minuten durch sechs Samples. Dies treibt Mershin an die Wand. „Unten haben wir Geräte im Wert von 100 Millionen US-Dollar. Und der Hund kann mich schlagen? “, Sagt er. "Das macht mich wütend."
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Mershin ist kein Arzt. Er ist ausgebildeter Physiker. Er leitet ein Labor namens Label Free Research Group, das es gibt, um die Grenzen zwischen Physik, Biologie, Materialwissenschaft und Informationswissenschaft zu überwinden. In seinem Büro hat Mershin eine Sonnenbrille, mit der Gehirnströme gemessen werden können, sowie Zeitschriften zur Luftfahrt und Bücher zur Urologie, zur Physik des Bewusstseins und zur Kodierung in Python. Er spricht schnell in einem Akzent, der irgendwo zwischen seinen beiden Muttersprachen liegt, und er wechselt das Thema bei der geringsten Provokation. Er weigert sich, passende Socken zu tragen, denn warum sollten Socken passen? Er ist klein und rund mit einer Mähne erdbeerblonder Locken, die aufspringen, wenn er aufgeregt ist.
Mershins Labor, in dem er Geräte im Wert von 100 Millionen US-Dollar aufbewahrt, liegt ein paar Stockwerke von seinem Büro am MIT entfernt. In einem Raum versuchen Forscher, neue Farben zu erfinden. in einem anderen, um die leichtesten und stärksten Materialien der Erde herzustellen. Aber ich bin hier, weil diese Einrichtung einige der weltweit wichtigsten Forschungen zur Entwicklung von AO durchführt - künstliche Riechstoffe.
Viele Roboter können heutzutage sehen, hören, sprechen und (grob) denken. Aber viel Glück beim Finden einer, die riechen kann. Dies liegt zum Teil einfach daran, dass die Geruchsbildung von Menschen immer tief unterschätzt wurde - einer Art von zerebralen, hypervisuellen Snobs. Kant wies den Geruch als den „entbehrlichsten“unserer fünf Sinne ab. Eine Umfrage aus dem Jahr 2011 ergab, dass 53 Prozent der Menschen im Alter von 16 bis 22 Jahren lieber ihren Geruchssinn aufgeben möchten, als ihre Smartphones und Computer aufzugeben.
In den letzten Jahren wurde jedoch immer deutlicher, dass der Geruch in der richtigen Schnauze eine Art Supermacht sein kann. Seit Jahrtausenden schätzen Menschen Hunde für ihre Verfolgungsfähigkeiten. Polizei und Streitkräfte haben sie lange benutzt, um Bomben, Drogen und Leichen auszuspionieren. Aber seit etwa Anfang der 2000er Jahre hat eine Lawine von Erkenntnissen unser Gespür dafür, was Hunde mit ihrer Nase tun können, dramatisch erweitert. Es begann, als die Forscher erkannten, dass Eckzähne den frühen Ausbruch von Melanomen riechen können. Dann stellte sich heraus, dass sie dasselbe für Brustkrebs, Lungenkrebs, Darmkrebs und Eierstockkrebs tun können. Sie können die Tageszeit in der Luftbewegung in einem Raum riechen. spüre diabetische Episoden Stunden im Voraus; und menschliche emotionale Zustände ohne visuelle Hinweise erkennen. Und es sind nicht nur Hunde. Wissenschaftler, die von einer schottischen Krankenschwester mit einer hochgradig abgestimmten Nase belehrt wurden, haben kürzlich erfahren, dass Menschen mit Parkinson-Krankheit bereits Jahre bevor sie Symptome zeigen, einen deutlichen „holzig-moschusartigen Geruch“entwickeln.
Andreas Mershin glaubt, wir müssen nicht verstehen, wie Säugetiere riechen, um eine künstliche Nase zu bauen. Er setzt darauf, dass die Dinge umgekehrt funktionieren.
All dies führt zu einer Offenbarung nicht nur über Hunde, sondern über die physische Welt selbst. Ereignisse, Krankheiten und mentale Zustände hinterlassen Berichte in der Luft - solche, die für hochgradig abgestimmte Geruchssysteme verständlich, für die Wissenschaft jedoch ansonsten unleserlich sind. Es scheint, dass Geruch manchmal der beste Weg ist, um ansonsten verborgene Dinge auf der Welt zu erkennen und zu unterscheiden. Und oft ist die nächstbeste Methode, um dasselbe nachzuweisen, teuer (Gaschromatographie / Massenspektrometrie) oder qualvoll (Gewebebiopsien) oder unmöglich (Gedankenlesen).
Leider ist der andere Grund, warum wir keine Roboter haben, die riechen können, dass die Geruchsbildung ein hartnäckiges biologisches Rätsel bleibt. Wissenschaftler arbeiten immer noch an den Grundlagen, wie wir all diese flüchtigen Verbindungen wahrnehmen und wie unser Gehirn diese Informationen klassifiziert. "Es gibt mehr Unbekannte als Bekannte", sagt Hiroaki Matsunami, Forscher an der Duke University.
Mershin glaubt jedoch, dass wir nicht wirklich verstehen müssen, wie Säugetiere riechen, um eine künstliche Nase zu bauen. Er setzt darauf, dass die Dinge umgekehrt funktionieren: Um die Nase zu verstehen, müssen wir zuerst eine bauen. In seinen Bemühungen mit einem brillanten Mentor namens Shuguang Zhang hat Mershin ein Gerät gebaut, mit dem Hunde - seine keuchenden Gegner - einen Lauf um ihr Geld bekommen können.
Im Mai 1914 hielt Alexander Graham Bell eine Ansprache an einige Schüler in Washington, DC. Der 67-jährige Erfinder des Telefons hielt eine eigenartige Rede - eine Anspielung auf Beobachtung, Messung und Gumshoe-Neugier. Er verbrachte einen Großteil seiner Zeit damit, Untersuchungsgebiete für sein jugendliches Publikum vorzuschlagen. „Hast du jemals versucht, einen Geruch zu messen?“, Fragte er. „Was ist ein Geruch? Handelt es sich um eine Emanation von Materialpartikeln in der Luft oder um eine Form von vibrationsähnlichem Klang? “, Fragte er. „Wenn es sich um eine Emanation handelt, können Sie sie möglicherweise abwägen. und wenn es eine Vibration ist, solltest du sie von einem Spiegel reflektieren können “, fuhr er fort. "Wenn Sie ehrgeizig sind, eine neue Wissenschaft zu gründen, messen Sie einen Geruch."
Mehr als ein Jahrhundert später war noch niemand in der Lage, einen Geruch zu messen, und es gibt sogar noch eine Debatte darüber, ob Geruch eine Schwingung oder eine chemische Wechselwirkung zwischen Partikeln ist. (Die Vibrationstheorie ist viel kontroverser, aber niemand versteht die Gerüche gut genug, um sie vollständig zu verwerfen.) Erst 1991 gelang es den Wissenschaftlern, die grundlegenden genetischen und physiologischen Bausteine der Gerüche von Säugetieren abzubilden. In diesem Jahr veröffentlichten die Biologen Linda Buck und Richard Axel eine wegweisende Veröffentlichung. Sie entdeckten ungefähr 1.000 Gene, die für ungefähr 1.000 Geruchsrezeptoren in Mäusen kodieren, und sie zeigten, dass diese Rezeptoren der Beginn des Geruchssinns eines Säugetiers sind. Sie leben im olfaktorischen Epithel, einem dünnen Gewebestück, das sich oben in der Nasenhöhle befindet, genau dort, wo es auf den Schädel trifft. Wenn wir tief durchatmen, saugen wir die flüchtigen Moleküle im Raum in Richtung dieser Rezeptoren. Wenn die Rezeptoren mit Molekülen interagieren, lösen sie eine Kettenreaktion aus, die endet, indem sie eine Nachricht an unser Gehirn senden.
Was die genaue Natur dieser Wechselwirkungen betrifft, so konnten Buck und Axel nur theoretisieren. Sie stellten eine Art Schlüssel-Schloss-Beziehung zwischen den Geruchsrezeptoren in unserer Nase und den Molekülen in der Luft her. Aber die Anzahl der Rezeptoren, die sie entdeckten, warf sofort ein mathematisches Problem auf. Menschen haben ungefähr 400 Arten von Geruchsrezeptoren (weit weniger als Mäuse), aber wir können ungefähr 10.000 verschiedene Gerüche riechen. Also stellten Buck und Axel die Theorie auf, dass der Geruch kombinatorisch sei. Wie ihre Untersuchungen gezeigt haben, ist jeder Rezeptor einzigartig darauf vorbereitet, auf einige unterschiedliche Moleküle zu reagieren, und unsere Nasen spüren unterschiedliche Gerüche, wenn viele Rezeptoren gleichzeitig feuern. John Kauer, damals Forscher an der Tufts University, bringt die Idee auf, Akkorde auf einem Klavier zu spielen. "Das Klavier hat nur 88 Noten", sagt er. „Wenn Sie nur eine Note pro Geruch verwenden könnten, könnten Sie nur 88 verschiedene Gerüche erkennen.“Wenn Gerüche eher wie Akkorde aussehen, funktioniert die Mathematik plötzlich.
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Inspiriert von Buck und Axel, die 2004 für ihre Arbeit den Nobelpreis erhielten, stellten sich Mershin und andere Wissenschaftler Gerüche einfach als Listen von Molekülen vor. Wenn Sie den Geruch einer Knoblauchzehe verstehen wollen, dann haben Sie sich gedacht, die Antwort liegt in ihren chemischen Bestandteilen. "Irgendwo in diesen Molekülen", glaubte Mershin Mitte der 2000er Jahre, "ist der Geruch von Knoblauch geschrieben."
Nachdem Buck und Axel ihre wichtigsten Erkenntnisse veröffentlicht hatten, dauerte es nicht lange, bis die ersten großen Anstrengungen zum Bau einer künstlichen Nase begannen. Darpa wollte Hunde ersetzen, um Landminen zu finden. Ab 1997 flossen 25 Millionen Dollar in ein Programm namens Dog's Nose. Die Agentur finanzierte Wissenschaftler im ganzen Land, um ein paar Schnüffelmaschinen zu bauen, und brachte sie dann zum Testen auf ein Feld in Missouri. Der Boden war mit allen Arten von Landminen besät, von kleinen Antipersonengeräten in der Größe von Thunfischdosen bis hin zu schwerer Panzermunition. Obwohl das Betreten der Minen sie nicht mehr auslösen konnte - die Zündschnüre waren entfernt worden -, konnte die vergrabene Sprengstoffwaffe immer noch durch beispielsweise einen Blitzschlag ausgelöst werden. „Sobald ein Gewitter zu spüren war“, sagt Kauer, der an dem Programm teilgenommen hat, „haben wir evakuiert.“
Kauer hatte ein graues, schuhkartongroßes Gerät gebaut, das er schließlich den ScenTrak taufte. Sein Gerät war nicht mit Geruchsrezeptoren ausgestattet. Stattdessen war es voller langer Molekülstränge, so genannter Polymere, von denen Kauer wusste, dass sie auf DNT reagieren würden, ein Molekül, das in den meisten Landminen üblich ist. Als der ScenTrak auf einen Sprengstoff stieß, band sich der DNT an die Polymere und der ScenTrak löste einen Alarm aus. "Land Mine!", Rief die Kiste.
Zumindest funktionierte es so unter idealen Bedingungen. ScenTrak konnte in der Luft eines ansonsten geruchlosen Labors in der Nähe befindliche Spuren von DNT ausmachen. Draußen auf dem Feld jedoch wurde es verwirrt, als Kauer den ScenTrak über einem Stück Boden hin- und herbewegte. Die Polymere würden auf DNT, aber auch auf das Wetter, auf Pflanzen oder auf bestimmte Bodenarten reagieren.
Andere Geräte im Wettbewerb, einschließlich eines mit dem Namen Fido und eines mit dem Namen Cyranose, basierten auf ungefähr der gleichen Theorie. Sie alle verwendeten Polymere, die gegenüber bestimmten Verbindungen empfindlich waren. Und alle erwiesen sich als etwas eng funktionsfähig. (Fido wird jetzt an militärischen Kontrollpunkten verwendet, um aus nächster Nähe nach Sprengstoffen zu suchen.) Aber diese Geräte riechen nicht wirklich, genauso wenig wie beispielsweise ein Kohlenmonoxidsensor riechen kann. In geruchsintensiven Umgebungen, in denen Gerüche, die anscheinend aus denselben Verbindungen bestehen, häufig aus verschiedenen nichtexplosiven Quellen eingedrungen sind, treten sie häufig aus.
Dies ist zum Teil darauf zurückzuführen, dass die Theorie, auf der diese Geräte aufgebaut waren, zu reduzierend war. Heute glauben die meisten Wissenschaftler, dass die Lock-and-Key-Theorie der olfaktorischen Bindung viel zu einfach ist. In einigen Fällen haben Moleküle mit sehr ähnlichen Formen völlig unterschiedliche Gerüche. bei anderen riechen sehr unterschiedlich geformte Verbindungen gleich. Mit anderen Worten, die Form eines Moleküls ist nicht gleichbedeutend mit seinem Geruch. Stattdessen binden viele Rezeptoren an viele verschiedene Moleküle und umgekehrt. Aber jeder Rezeptor hat eine bestimmte "Affinität" für jedes Molekül. Es ist diese besondere Affinität, die jetzt zusammen mit der kombinatorischen Natur von Geruchsreaktionen für einzigartige Düfte verantwortlich ist, so die Theorie. Das Klavier hat nicht nur 88 Tasten, die Akkorde bilden können. Es hat auch Pedale und Dynamik. "Sie schlagen Klaviertasten mit verschiedenen Stärken, schwer und leicht und so weiter", sagt Zhang. „Schwer, du bekommst ein Geräusch; Licht, du bekommst einen anderen Klang. “Oder anders ausgedrückt: Die Theorie des Geruchs wird nur noch komplizierter.
Mershin und Zhang sind ein seltsames und doch harmonisches Paar. Mershin geht selten zweimal denselben Weg. Wenn wir uns auf dem Weg von der MIT-Cafeteria zu seinem Büro verirren, gibt er zu, dass er sich häufig verirrt - "auch in meinen Gedanken, sowohl intellektuell als auch geografisch", sagt er. Nach eigenen Angaben ist er Legastheniker, synästhetisch, pink / grau farbenblind, blind und hat eine Aufmerksamkeitsdefizitstörung. Manchmal vergisst er seine eigene Adresse. Er ist auch unersättlich, zwanghaft neugierig. Er hat einmal ein Spiel für seine Kinder entwickelt, bei dem sie einen Wattebausch in Parfüm einweichen, sich die Augen verbinden und dann versuchen, den Wattebausch zu finden, nachdem er versteckt war. Neben Nasen baut er in Namibia Häuser aus Pilzen und arbeitet mit einem Postdoktoranden daran, Schwermetalle aus dem Wasser zu entfernen. "Für mein Leben passt es nicht, nur eine Sache zu tun", sagt er. "Aber ich arbeite gerne mit Leuten zusammen, die sehr fokussiert sind und eine Sache wirklich gut machen."
Zhang ist diese Person. Wo Mershin unruhig ist, ist Zhang, der seine eigene Forschungsgruppe namens Laboratory of Molecular Architecture leitet, bewusst und langsam. Er glaubt, man muss sich mit einem Projekt und einer Frage auseinandersetzen. "Damit die Wissenschaft erfolgreich ist, muss man sich konzentrieren", sagt er. "Man kann sich nicht von anderen Dingen ablenken lassen." Im Jahr 2003 suchte Zhang nach einem neuen Projekt und konzentrierte sich auf Geruchsrezeptoren. Selbst nach der Pionierarbeit von Buck und Axel war es noch nie jemandem gelungen, sich einen konkreten Überblick zu verschaffen - weder unter dem Mikroskop noch mittels Röntgenkristallographie. Das ist ein Teil des Grundes, warum Geruchssinn so ein Rätsel ist. Im Grunde können wir nicht direkt beobachten, was diese winzigen Rezeptoren tun. Binden sie tatsächlich an Moleküle? Wie? Beeinflussen andere Faktoren wie Feuchtigkeit oder andere Verbindungen die Reaktion dieser Rezeptoren? Niemand weiß. Zhang wollte das ändern, indem er herausfand, wie man einen olfaktorischen Rezeptor erkennt. "Wir haben uns entschlossen, an etwas Geheimnisvollem zu arbeiten und einige Jahre zu brauchen, um es herauszufinden", sagt er.
Hier ist, was Zhang auf seiner Suche wusste: Riechrezeptoren sind Membranproteine, und sie sind komplizierte, fremde kleine Strukturen. Jeder Rezeptor ist wie eine lange Schnur geformt, die sich durch die dünne Membran, die eine Zelle von der Außenwelt trennt, hin und her windet. Wenn dieses komplizierte Wicklungsmuster jemals unterbrochen oder geändert wird, funktioniert der Rezeptor nicht. Und wenn der Rezeptor gekippt oder auf dem Kopf steht? Es wird auch nicht funktionieren.
Etwa die Hälfte aller Geruchsrezeptoren befindet sich außerhalb der Zelle und ist bereit, mit Molekülen zu interagieren. Dann sitzt ein mittlerer Abschnitt in der Zellmembran und der Rest befindet sich in der Zelle. Wenn der äußere Teil des Rezeptors an ein Molekül bindet, ändert er seine Form und die Zelle sendet eine Nachricht an Ihr Gehirn. Während die Köpfe und Schwänze eines Geruchsrezeptors - die Teile, die innerhalb und außerhalb der Zelle sitzen - das Wasser lieben, ist sein Mittelteil wie die Zellmembran, die es umgibt, hydrophob. Das heißt, wenn Sie die Rezeptoren aus einer Zelle nehmen und in Wasser legen, neigen sie dazu, sich zu verklumpen, anstatt sich aufzulösen, was es nahezu unmöglich macht, sie zu isolieren und damit zu arbeiten.
Zhang versucht seit 2003, sein Ziel zu erreichen. Irgendwann verbrachte er acht Jahre damit, einfach nur wasserlösliche Rezeptoren herzustellen. ("Und es ist gelöst", sagt er. "Es ist vollbracht.") Trotzdem ist es ihm noch nie gelungen, einen Rezeptor zu sehen. Noch hat jemand anderes. Sie sind einfach zu klein. Zhang beschreibt diese grundlegende Wechselwirkung zwischen dem Geruchsmolekül und dem Rezeptor als „totale Black Box“.
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Trotzdem erwies sich Zhangs Arbeit als sehr nützlich, als Darpa 2007 ein zweites Geruchsprojekt mit dem Namen RealNose startete. RealNose hatte durch die Kriege im Irak und in Afghanistan eine neue Mission und ein neues Gefühl der Dringlichkeit. Anstatt nach Landminen zu suchen, mussten die mechanischen Nasen in der Lage sein, IEDs zu identifizieren, die die amerikanischen Truppen verwüsteten. Und dieses Mal konnten Wissenschaftler keine Polymere oder andere synthetische Geräte verwenden, um die Rezeptoren nachzuahmen. Sie mussten olfaktorische Rezeptoren von Säugetieren als Sensoren verwenden.
Zhang hatte einen großen Vorteil gegenüber anderen Wissenschaftlern, die um diese Darpa-Stipendien kämpften. Dank seiner Arbeit verfügte er über eines der wenigen Labors auf der Welt, in denen Geruchsrezeptoren in embryonalen Zellen gezüchtet und anschließend im Labor damit gearbeitet wurden. Aber Mershin war nicht begeistert von Darpas Anforderungen. "Viele, viele, viele Monate habe ich rebelliert", sagt er. Er wollte sich nicht mit diesen pingeligen Geruchsrezeptoren herumschlagen und versuchte, Darpa davon zu überzeugen, dass seine Forderung eine schlechte Idee war. Warum mussten sie die tatsächliche biologische Struktur verwenden, wenn es einfacher wäre, etwas Synthetisches zu verwenden? Etwas, das nicht aufhören würde zu arbeiten, nur weil es gekippt oder verkehrt herum war? "Sicher, wir wollen wie Vögel fliegen, aber wir bauen keine Düsentriebwerke aus Federn", dachte er. "Wir wollen etwas Besseres als Vögel!" Mershin wollte nur einen Sensor, der Ihnen sagen kann, welche Moleküle in einem Raum vorhanden sind. Aber er wollte nicht auf die Finanzierung verzichten, also räumte er ein.
Mershin und Zhang beschlossen, in ihrem Labor eine Menge Geruchsrezeptoren anzubauen und diese dann im Wesentlichen auf eine Leiterplatte zu streichen. Sie rechneten statistisch gesehen damit, dass sie, wenn sie sich auf genügend Rezeptoren stürzen würden, genug davon in die richtige Richtung weisen würden. Dann würden sie die Leiterplatten mit elektrischem Strom verbinden. Wenn die Rezeptoren mit flüchtigen Verbindungen wechselwirken, ändern sie ihre Form, genau wie bei einer normalen Nase. Anstatt jedoch eine Nachricht an ein Gehirn zu senden, würde die Interaktion als ein einfacher Stromstoß aufgezeichnet.
An einem klaren Frühlingstag führt mich Mershin in sein Labor und durchsucht einige Kartons und Geräte, bis er einen Behälter mit alten künstlichen Nasenprototypen entdeckt. In einer Hand holt er eine Plastikflasche mit zwei Metalldüsen heraus, die zufällig mit Epoxidharz an Ort und Stelle gehalten werden. Von seiner anderen Hand baumelt ein dünner Plastikchip an einigen elektrischen Drähten. "Das hier ist die erste Nase", sagt er.
Es war ein Fehlschlag. Die Rezeptoren schienen zu funktionieren, aber die Flasche war zu groß; Gerüche würden zu lange verweilen, als dass die Wissenschaftler sie deutlicher ablesen könnten. Sie entwickelten weitere Prototypen und experimentierten mit verschiedenen Methoden, um dem Chip und der unterschiedlichen Anzahl von Chips den richtigen, riechenden Luftstoß zuzuführen.
Aus seinem Trichter mit Prototypen holt Mershin schließlich das Gerät namens Nano-Nose heraus, das er und Zhang schließlich Darpa vorlegten. Der ganze Apparat hat die Größe einer extragroßen Bratpfanne und ist mit den Worten "Eigentum der US-Bundesregierung" geschmückt. "Weil es für Darpa war", sagt Mershin, "wir mussten es kugelsicher aussehen lassen."
Nach all ihren Prototypen hatten sie sich schließlich mit einem Design befasst, das eine Anordnung von acht Leiterplatten von jeweils der Größe einer Kreditkarte verwendete. Innerhalb dieses kugelsicheren Metallgehäuses befand sich jedes Board in einem separaten luftdichten Fach, das seinen eigenen Geruch aufnehmen und mit seinem eigenen elektrischen Muster reagieren konnte. Von einer Luftpumpe, die ein tiefes Schnüffeln nachahmt, konnten Gerüche in die Schachtel geschickt und auf jedes Brett geleitet werden.
Zhang und Mershin bauten das Gerät in einem 15-monatigen Sprint und es war immer noch nicht fertig, als Darpas Deadline eintraf. Als es an der Zeit war, ihre Arbeiten zu zeigen, lud Mershin einen großen Van mit dem Inhalt eines ganzen Labors - Schläuche, Rohre, Spritzen, ein 300 Pfund schwerer optischer Tisch und ein Frequenzgenerator im Wert von 70.000 US-Dollar - und fuhr damit los Boston nach Baltimore. Er brachte sogar sein eigenes Geruchsübermittlungssystem mit: einen modifizierten Tintenstrahldrucker namens StinkJet.
Mershin hatte ursprünglich vorgehabt, einen Supercomputer unter die Nano-Nose zu stellen, der in Datenbanken mit Tausenden von Verbindungen stöbert und die von der Nase registrierten ausgibt. Aber zu diesem Teil waren sie noch nie gekommen. Stattdessen griffen sie zu dem, was Mershin für einen Hack hielt.
In den Mittagspausen eilte das Team mit der Nase zurück in das Hotelzimmer und löte Stücke darauf, um es weiter zu verbessern, während der Zimmerservice bestellt wurde.
Darpa hatte ihnen eine Liste von Geruchsstoffen gegeben, die von ihrer Maschine erkannt werden sollten. Also schickten Mershin und Zhang zuerst diese Duftstoffe durch die Nano-Nase und zeichneten ihre Antworten auf; Die Idee war, die Nase mit Hilfe eines Laptops und eines Algorithmus zur Mustererkennung auf das zu trainieren, wofür sie eigentlich riechen sollte. Dann probierten sie im eigentlichen Test acht Mal jedes Mystery Odorant - einmal durch jede der acht Buchten - und ließen es durch einen Handschuh mit unterschiedlichen elektrischen Bedingungen laufen. Dies war ein Eliminierungsprozess, der dem Pattern-Matching-Algorithmus helfen sollte, falsch positive Ergebnisse herauszufiltern. Es war nicht so raffiniert wie ein Abonnieren Sie WIRED und bleiben Sie mit mehr Ihrer Lieblingsautoren auf dem Laufenden.
So beeindruckend die Nano-Nose auch ist, es wird mehr als eine Schachtel Platinen erfordern, um alles zu reproduzieren, was Kato tut, wenn er einem Geruch auf der Spur ist. Paul Waggoner, ein Wissenschaftler, der sich an der Auburn University mit Hunde-Geruchssinn befasst, schätzt, dass wir noch Jahrzehnte von der Entwicklung von Maschinen entfernt sind, die mit den natürlichen Geruchssinnsfähigkeiten erfolgreich konkurrieren können. Wagoner, der auch über ein eigenes patentiertes Trainingsprogramm für Spürhunde verfügt, argumentiert, dass Maschinen früh im Riechprozess ausfallen. "Alles beginnt mit der Probenahme", sagt er. Grundsätzlich schnüffeln Maschinen nicht sehr gut. Hunde atmen ungefähr fünfmal pro Sekunde ein und aus, und zwar durch Nasenlöcher, die den Einlass und den Auslass des Atems durch verschiedene Kanäle leiten. All dieses Schnupfen erzeugt einen Druckunterschied - eine Art Geruchswirbel -, der ihnen hilft, bei jedem Schnupfen eine reichhaltige, neue Probe in die Nase zu ziehen. Und während die Nano-Nase in der Lage ist, den Fokus auf einen Zielgeruch zu beschränken, ist die Fähigkeit eines Hundes, dies über große Entfernungen zu tun, atemberaubend.
Was passiert in Katos Gehirn, wenn er diesen Geruch endlich wahrnimmt? Nun, niemand weiß es. Je weiter wir von den Geruchsrezeptoren bis hin zu der Art und Weise, wie das Gehirn diese Informationen verarbeitet und versteht, desto dunkler und dunkler wird es, sagt Waggoner.
Trotzdem sind Hunde selbst keine perfekten Schnüffler. Bei einem zweiten Besuch bei Thompson beobachtete ich, wie ein anderer Hund, eine 3-jährige Malinois namens Annie, den Fokus auf das Aufspüren eines Knochens verlor, als sie auf einem nahe gelegenen Feld auf mehrere Schweine stieß. "Wenn Hunde nicht an Sachen gewöhnt sind, ist das sehr schwierig", erklärt Thompson. Hunde werden frustriert und müde. Sie ernähren sich von den Emotionen ihrer Besitzer. Und natürlich skalieren Hunde nicht. Gut ausgebildete Hunde, die an Bomben und Krankheiten schnüffeln, sind Mangelware und teuer, bis zu 25.000 US-Dollar pro Hündchen. Der US-Sicherheitssektor verfügt bereits nicht über genügend Hunde, um die verschiedenen Behörden zu durchlaufen - von der TSA über die örtlichen Strafverfolgungsbehörden bis hin zum Militär -, die sie benötigen. Medizinische Erkennungshunde sind noch kniffliger: Es gibt nicht nur sehr wenige von ihnen, sondern sie lassen sich auch nicht ohne Weiteres in eine medizinische Umgebung integrieren. Trotz all der unglaublichen Erkenntnisse in den letzten Jahren - die 90- bis 100-prozentige Genauigkeit bei der Früherkennung von Krebs - sind medizinische Erkennungshunde nicht als diagnostische Helfer weit verbreitet.
Zurück im Labor am MIT zieht Mershin eine blaue Schachtel aus dem Regal. Es ist voller grüner, blauer und schwarzer Drähte. Es sieht so aus, als ob eine dieser Boxen, die wir alle irgendwo in einem Schrank aufbewahren, mit Kabeln und Kabeln gefüllt ist, die zu Geräten gehören, die wir verloren oder aufgerüstet haben. Aber an mehrere dieser Drähte angeschlossen, sehe ich ein weißes, scheckkartenförmiges Plastikobjekt. Dies ist ihre neue Nano-Nose, die überarbeitet und dramatisch aus der mit Metall verkleideten, von Darpa getesteten Schachtel geschrumpft ist. (Bei den Drähten und Kabeln handelt es sich ausschließlich um Peripheriegeräte, mit denen Gerüche und elektrischer Strom in die Nase gepumpt werden können.)
In den letzten Jahren bastelte Zhang weiter an den Geruchsrezeptoren, die er und Mershin in ihrer Nano-Nase verwenden. Am wichtigsten ist, dass er aufgehört hat, sie in embryonalen Zellen zu züchten, und einen Weg gefunden hat, sie in einer biologisch inerten Form zu kultivieren. Alles passiert jetzt in einem Reagenzglas. Die Rezeptoren sind immer noch schwierig zu handhaben - Mershin sagt, sie sind bei weitem der schwierigste Aspekt des Geräts -, aber diese sind stabiler und formbarer als ihre organischen Gegenstücke. Mershin und Zhang haben auch die Leiterplatten der Nano-Nose nach und nach verkleinert. Das bedeutet, dass der gesamte Apparat jetzt an einen Port eines Bioreaktors angeschlossen werden kann, um zu schnuppern, was im Inneren passiert. Es könnte in eine Fabrik gehen und Produkte zur Qualitätskontrolle riechen oder in ein Getreidesilo gegeben werden, um nach dem Verderben von Lebensmitteln zu riechen. Aber Mershin und Zhang sagen, dass sie im Moment kein Interesse daran haben, ihre Forschung in ein Geschäft zu verwandeln.
Bisher ist das einzige Unternehmen, das es wagt, eine kommerzielle Technologie zu entwickeln, die Geruchsrezeptoren verwendet - mit einem Design, das dem der Nano-Nose sehr ähnlich ist -, ein kleines Silicon Valley-Startup namens Aromyx. In mancher Hinsicht ist es sogar noch ehrgeiziger als Mershin und Zhang. Die Nano-Nase verwendet nur etwa 20 Arten von Rezeptoren und passt jede Nase je nach Verwendungszweck an. Aromyx möchte jedoch alle 400 menschlichen Riechrezeptoren in seinen EssenceChip packen, eine 3 x 5 Zoll große Kunststoffplatte, die mit kleinen Vertiefungen zur Aufnahme der Rezeptoren übersät ist. Wenn der EssenceChip einem Geruch ausgesetzt ist, feuern die Rezeptoren und der Chip zeichnet dieses Aktivierungsmuster auf. Was ist der Geruch von Coca-Cola? Oder Chanel Nr. 5? Die Antwort ist wiederum keine Liste von Molekülen. "Es ist ein Muster von Rezeptorantworten", sagt Aromyx-Gründer Chris Hanson. Bisher hat Aromyx nur einige dieser 400 Rezeptoren stabilisiert. Wenn sie Rezeptoren hinzufügen, wird das digitale olfaktorische Rendering feiner und detaillierter.
"Dies ist ein Fenster in die menschliche Sinneserfahrung", sagt Hanson. Wenn ja, ist es eine fragile. Aromyx baut seine Rezeptoren immer noch in Hefezellen an, und das Unternehmen hatte Mühe, ein Basisprodukt für eine Demo zusammenzustellen. Als Aromyx kürzlich sein Büro wechselte und sieben Meilen von Palo Alto nach Mountain View zog, wurden einige seiner Zelllinien im Shuffle zerstört.
Was Mershin betrifft, ist er verlegen, wie unordentlich die Nano-Nase immer noch aussieht, aber seine Locken fangen an zu hüpfen, wenn wir über ihre möglichen Anwendungen sprechen. Im Moment ist die Nano-Nase nur ein Detektor. Es kann die gesammelten Daten nicht interpretieren. Aber Mershin und Zhang wollen es schlau machen - wie ein Hund. Und hier kommen Mershins Peiniger ins Spiel, die Prostatakrebs schnüffelnden Hunde aus dem Video. Es stellt sich heraus, dass Mershin nicht nur mit den Hunden konkurriert, sondern auch mit ihnen zusammenarbeitet.
In seinem Büro gibt mir Mershin den Ehrenplatz: einen schwarzen Veloursstuhl, auf dem Florin, eine andere Hündin zur Erkennung von Prostatakrebs, saß, als sie zu Besuch kam. Florin und Lucy gehören zu einer britischen Gruppe namens Medical Detection Dogs, die viele Tiere ausgebildet hat, die Krebserkrankungen aufspüren konnten.
Im Moment trainieren Mershin und Zhang ein KI-System mit einer Reihe von Daten, von denen einige von Medical Detection Dogs gesammelt wurden, wie ihre Tiere auf bestimmte Urinproben reagierten - ob sie auf Krebs aufmerksam wurden, wie lange sie verweilten und dergleichen -. und ein Teil davon wurde von Mershin und Zhang gesammelt, als sie dieselben Urinproben durch einen Gaschromatographen / Massenspektrometer liefen. Mershin sagt, dass diese Datenströme ihnen helfen werden, die Rezeptoren auszuwählen, die sie in die Nano-Nose stecken müssen. Das Hauptereignis wird jedoch eintreten, wenn er dieselben Urinproben durch die Nano-Nase laufen lässt und Daten über ihre Reaktionen sammelt. Dann durchsucht er alle drei Datensätze nach Korrelationen. Mershin hat bereits den ganzen Urin in seinem Labor eingefroren und ist bereit zu gehen.
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Die Idee ist, letztendlich eine Art Turing-Test durchzuführen, aber nur nach Geruch - um die Ergebnisse der Hunde zu imitieren, bis niemand mehr zwischen den Reaktionen des Nano-Nose und denen eines Hundes unterscheiden kann. Wenn alles gut geht, wird die Nano-Nase mehr als nur ein Sensor. Es wird ein echtes Diagnosewerkzeug sein. Je reicher die Datenbank ist, desto besser ist die Nase.
Letztendlich möchte Mershin, dass die Nano-Nase in Ihr Handy integriert wird. Er stellt sich vor, diese intime Version seines Geräts zu verwenden - eine, die zu jeder Zeit am Körper des Besitzers anliegt -, um Längsschnittdaten über die Gesundheit des Trägers zu sammeln. Schließlich könnte die Nase Sie warnen, dass die Mole an Ihrem Oberschenkel überprüft wurde, oder Sie warnen, dass Ihr Blutzucker gefährlich niedrig ist, oder dass Sie möglicherweise den holzig-moschusartigen Geruch der Parkinson-Krankheit ausstoßen. Die Nano-Nase kann Sie überall hin begleiten und Sie auf eine Weise im Auge behalten, wie es Ärzte niemals könnten. Alles, was ein Hund über Geruch erkennen kann, würde er erkennen.
Das ist eine starke Idee, aber auch eine beunruhigende. Wie viel Kontrolle über Ihre Geruchsprofildaten würden Sie behalten? Und wenn Ihr Telefon in der Lage ist, Sie zu schnüffeln, welche anderen Geräte würden dasselbe tun? In einer Welt, in der digitale Geruchssensoren so klein geworden sind, dass sie in Ihre Hosentasche passen, landen sie vermutlich woanders - so wie es Videokameras vor ihnen taten. Wenn Ihre Krankheiten und mentalen Zustände plötzlich lesbare Berichte in der Luft hinterlassen, werden zweifellos andere Menschen als Sie und Ihr Arzt neugierig darauf sein, diese zu lesen. (Zum Beispiel Ihre Versicherung.)
Poppy Crum, Chefwissenschaftlerin bei Dolby Labs, setzt auf Technologien wie die Nano-Nose, die ihrer Meinung nach die Früherkennung von Krankheiten demokratisieren könnten. Sie sieht künstliche Riechstoffe aber auch als eine der vielen aufstrebenden Technologien, die - einige viel weiter entfernt als andere - Sensoren und Daten verwenden, um ansonsten verborgene innere Zustände zu erkennen. Alle diese Technologien erfordern neue Standards für Transparenz und Benutzerkontrolle von Daten - Standards, die nicht von Unternehmen oder Forschern stammen werden. "Ich denke, das muss gesetzlich geregelt werden", sagt Crum.
Mershin für seinen Teil ist nicht so besorgt über den Beginn eines olfaktorischen Überwachungszustandes. Stattdessen fürchtet er als vollkommen überreizter Mensch eine Welt, in der Geräte beginnen, Gerüche an Sie zu senden. „Ich würde alle Technologien, die Sie riechen, sehr unterstützen. Ich wäre sehr misstrauisch gegenüber Technologien, bei denen Sie sie riechen sollen “, sagt er. „Lass nicht zu, dass die Telefone Gerüche in deinen Kopf bringen. Eine schlechte Idee. “Mit anderen Worten, lass dein Handy der Hund sein. Du bist der Handler.
Sara Harrison (@atsaraharrison) ist eine Reporterin aus San Francisco.
