博尔德闻起来有薄荷味……和清新的雪的味道。冰冻的水闻起来很纯净，仿佛还被困在头顶的云层中。阳光在落基山脉上闪耀，它们铁锈般的气息与山松混合在一起。在穿过马路进入科罗拉多大学博尔德分校之前，一辆卡车飞驰而过，用硫磺味的尾气掩盖了这些气味。
当我走近时，流体机械师约翰·克里马尔迪推开了一扇朝东的门，以便向我展示这些气味是什么样子的。
科罗拉多大学工程中心的走廊宽敞而高大，旨在让科学家们能够建造机械巨兽。我们走进克里马尔迪的工场，观看他团队的庞大创造：一个带有薰衣草色栏杆的50英尺长的水箱。当我瞥见水面时，我几乎期望看到鲑鱼或小鲨鱼在5000加仑的水中穿梭。
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突然，顶灯熄灭，一排高功率激光器出现在水槽下方。一道光束向上切开，水箱中间爆发出一团看起来像绿色火焰的东西。这火焰以慢动作旋转。一个点像孩子用拇指按压橡皮泥一样鼓起。其他部分被看不见的绳子拉扯着伸展开来。
这种水下火焰是一种气味，或者至少是气味在空间中漂移时的样子。
创建这个实验是为了让科学家能够研究动物和人类如何利用气味导航周围环境。这个问题构成了一项新的 640 万美元项目的核心，该项目由国家科学基金会和白宫脑计划资助，名为“破解嗅觉密码”。
克里马尔迪在谈到这个项目时说：“我们想了解不同的生物是否进化出了不同的嗅觉导航策略，或者它们是否都趋同于类似的策略。”该项目涉及分布在七所大学的科学家。
可以将该项目视为气味界的 A 级团队。这个科学小组有一个单一的任务：解开世界上最古老的引导系统——嗅觉是如何工作的。通过这样做，该团队的目标是教会机器人如何嗅闻。
如果一个气味机器人听起来很牵强，那就不应该，克里马尔迪说。现代生活包含大量旨在模仿我们其他感官的技术。具有面部识别功能的摄像头可以识别商店扒手或在 Snapchat 上交换面孔。人工耳蜗可以让失聪的婴儿第一次听到妈妈的声音。但是，对于嗅觉，却没有类似的技术。
匹兹堡大学医学院的神经生理学家和 COC 小组成员内森·厄本说：“人们对其他感官的关注更多，尤其是在人类和灵长类动物中。”
因此，社会对我们如何嗅闻的机制知之甚少。我们知道鼻子里充满了嗅觉神经元——区分气味的守门人——但对接下来会发生什么知之甚少。大脑的哪个区域可以精确定位母亲新鲜出炉的饼干的位置？或者区分香蕉的气味和花生酱的气味？或者哪个大脑中心判断煤气从炉子泄漏时的浓度？
这种知识的缺失解释了为什么我们没有气味机器人。当警察需要找到炸弹或被困在雪崩中的人时，他们依赖犬类或其他动物，这使这些生物处于危险之中。克里马尔迪和他的同事希望通过教会机器人如何嗅闻来将这种风险外包给机器人。
但是，构建气味机器人的第一步是了解气味是什么样子的。
太妃糖气味
COC 项目负责人克里马尔迪研究气味的物理学和结构。
克里马尔迪说：“我们能够用自己的眼睛看到通常看不见的东西。”
气味是一种化学分子，其质量足够轻，可以被环境带动。气味通过空气或水下传播，最终触发我们鼻子中的传感器——称为嗅觉神经元。
想象一下，你正站在世界贸易中心一号大楼前。你的眼睛和视觉思维会剖析这座建筑物，本能地感知玻璃和钢铁的轮廓，因为建筑物向天空升起。根据克里马尔迪团队揭示的气味景观，我们的鼻子和嗅觉大脑区域以类似的方式解释气味。
克里马尔迪说：“气味云是非常立体的。”此时，绿色的“火焰”在他实验室的巨型水箱后面闪烁。
这种气味景观是通过激光照射注入水箱一端的荧光化合物而产生的。这种化合物是一种替代气味，或者是一种具有与气味相同物理特性的化学物质。它在水下以与空气中香味相同的运动方式流动——但速度较慢。
克里马尔迪说，慢动作效果主要是由于粘度。粘度描述了物质对流体运动的阻力。例如，蜂蜜比葡萄汁更粘稠。水比空气更粘稠。
克里马尔迪说：“如果我们想用水模拟空气中的东西，那么我们必须考虑到粘度的差异。由于它在液体中移动，所以看起来会慢很多。但形状是相同的。”
克里马尔迪说，控制这两种环境的物理定律完全相同。
当激光束穿过水箱时，它不会显示整个气味云，而只是显示它的一部分。这单层信息揭示了气味云的整体形状。
气味不会像雾或云那样以单个团块移动。它们更像章鱼团块一样蔓延，向一个方向射出触手，然后再向另一个方向射出触手。气味的触手是由水流通过水箱时的湍流形成的。随着液体的移动，气味像太妃糖一样被拉成细丝。
当您考虑鼻子如何与气味相互作用时，这种拉锯战就变得显而易见了。克里马尔迪实验室的博士后研究员亚伦·特鲁使用一个小水箱和一个管子构建了一个机械版本的鼻孔。
特鲁说：“当您吸气时，气味基本上会被拉伸开来，因此您最终会得到非常薄的强浓度气味区域。但是，紧挨着它，您会得到一个信号非常低、气味非常低的区域。”
因此，当您在花园里停下来闻玫瑰时，您的每一次吸气都在为其他人改变香气。吸入会在气味云内部产生大的空白空间。这些空隙被称为间歇性，它们在嗅觉上相当于照片中的负空间。
通过使用摄像头和计算机分析这些运动，研究人员了解到间歇性并非混沌无序。
研究生肯尼斯·普拉特在我们盯着旋转颜色的分屏时告诉我：“气味丝往往会自行排列。”
左侧面板显示了气味浓度，以绿色阴影表示——深绿色表示气味浓郁，而黑色区域表示间歇性。右侧面板表示气味在拉伸时所受到的物理应力。普拉特解释说，气味首先会收紧成这些长而紧张的细丝，但随后它们会弯曲并相互折叠。
嗅觉虚拟现实
这些视觉模式为计算气味如何移动的数学方程式奠定了基础。从理论上讲，这些公式应适用于所有介质，但水和空气之间可能存在细微差异。
一年级研究生玛吉·麦克休正在构建实验室气味水槽的空气版本，以进行二次检查。她的实验使用丙酮——指甲油气味的罪魁祸首。紫外激光将揭示其原本不可见的运动。
麦克休说：“应该不会有太大的差异，但我们这样做是为了随后为我们从事动物实验的合作者重建这些系统。”
克里马尔迪实验室的工作为创建水下和空气中的虚拟气味竞技场奠定了基础。目前，他们的激光束仅绘制了气味云的单层切片。但最终，该团队计划来回移动激光束，以便计算机可以构建整个气味羽流的 3D 模型。
克里马尔迪说：“我们计划利用在 3D 空间和时间中进行的这些测量来创建一个气味景观数据库。”
克里马尔迪的合作者计划将这些气味景观吹入一个封闭的竞技场——尺寸和设计专门为果蝇、小鼠、狗或人类设计——从而创建嗅觉虚拟现实。
克里马尔迪说：“团队成员正在研究动物的大脑，以直接可视化它们对气味输入的神经反应。”
一旦 COC 团队比较了笔记，他们应该会得到不同大脑对各种气味景观做出反应的精确轮廓。然后，从理论上讲，该项目可以将这些行为反射编码到机器人中。
克里马尔迪说：“因为在某种程度上，从编程机器人的角度来看，您可能不需要以我们大脑的方式、或者大鼠大脑的方式、或者果蝇大脑的方式来做这件事。您可能只是想复制基本本能。”
通往气味机器人的道路
气味是化学信标，可以传达有关环境的有趣信息。如果您曾经闻到面包店的气味并转过头，那么您就已经使用嗅觉进行导航了。然而，这些气味地图是日常人类生活中被忽视的一部分，这种偏见已经蔓延到科学家研究我们感官的方式中。
具有讽刺意味的是，嗅闻——或嗅觉——在科学优先事项列表中排在最后，因为它最先出现。
COC 团队成员、纽约大学的电生理学家凯瑟琳·内格尔正在探索果蝇如何转向以响应气味。她说：“嗅觉是远古进化的组成部分。细菌使用嗅觉，单细胞生物使用嗅觉，蠕虫使用嗅觉。”
这种实用性表现为行为。甜美的气味将蜜蜂吸引到花朵，促进授粉和农作物生存。一只漂泊信天翁可以从三英里外嗅到一块漂浮的腐肉，而腐烂动物中发现的硫化物化合物曾经被添加到 40 英里长的输气管道中，因此可以用秃鹫及其巨大的喙来发现泄漏。成年鲑鱼利用嗅觉线索跨越数百英里，以找到其出生地并产卵。
该团队正在研究各种动物，以解开这些行为。加州大学伯克利分校的进化生态学家露西亚·雅各布斯正在检查搜救犬，以了解它们的技能与其他超级嗅探者（如寄居蟹和蟑螂）相比如何。厄本和匹兹堡大学的数学神经科学家巴德·厄门特劳特使用红外线追踪小鼠的胡须，因为啮齿动物会沿着气味轨迹前进。然后，厄门特劳特可以将这些本能编程到计算机化的小鼠中。
克里马尔迪说：“我们能创造出气味视觉或气味机器人吗？我不知道。我们真正尝试的是从机械论的角度理解大脑是如何工作的。我们不一定知道我们会发现什么。这是令人兴奋的部分。”
这是三部分系列文章的第一部分。
本文经 PBS NewsHour 许可转载。它于 2016 年 6 月 9 日首次发表。