犬は優れた嗅覚を活かして、行方不明者、爆弾、死体、麻薬の捜索、がんなどの病気の発見、さらにはコアラの糞を嗅ぎ分けることで自然保護活動にも貢献してきました。そして今、その優れた嗅覚は、爆発物、麻薬、その他の物質の痕跡を検知するためのより優れたツールの開発につながるかもしれません。
犬は、息を吐く際に匂いを含んだ空気が鼻孔に引き寄せられるような嗅覚を持っていることが判明した。木曜日にScientific Reports誌に掲載された実験で、科学者たちはこの能力を模倣することに成功した。化学探知機に犬のように「嗅ぐ」ためのアタッチメントを取り付けると、爆発性TNT火薬の痕跡をより正確に検知できるようになった。
「手を伸ばして、この蒸気を入口に引き寄せるのです」と、メリーランド州ゲイサーズバーグにある国立標準技術研究所の機械エンジニアで、論文共著者のマシュー・ステイメイツ氏は語る。「嗅ぐことで、空気中のサンプルを分析装置に取り込む能力が向上する可能性があります」
犬は人間には感知できないほど微かな匂いを嗅ぎ分けることができます。犬の鼻には、人間よりも何億個も多くの嗅覚受容体が詰まっています。
しかし、犬が匂いを嗅いでいる間に鼻の外で何が起こっているかも重要です。犬の嗅覚の空気力学を調べるため、ステイメイツ氏と彼の同僚は、メスのラブラドール・レトリバーの鼻の3Dプリントモデルを製作しました。鼻先にはピストンシリンダー装置が取り付けられており、犬の吸気と呼気を模倣できます。「まさに犬が嗅いでいる音です」とステイメイツ氏は言います。
シュリーレン画像法と呼ばれる技術を使用して、研究者は、嗅いだときに吸い込まれる蒸気が漂うのを観察することができました（下のビデオで、3Dプリントされた鼻がアセトンに浸した泡を調べているのを見ることができます）。
犬は1秒間に約5回鼻をすすります。息を吐くたびに、犬は小さな空気の噴流を下方、そして後方に向けて送り出します。この噴流が新鮮な空気を犬の鼻へと引き戻します。「犬は文字通り、前に手を伸ばして、まるで自分の方へと新しい空気の栓を引っ張っているようなものです」とステイメイツ氏は言います。
犬が嗅ぐ動作は、本来なら鼻孔に届かない空気を呼び寄せる。3Dプリントされた鼻は、ただ空気を吸い込むよりも、積極的に嗅ぐ動作をしたときの方が匂いを感知する能力が優れており、「まるで無限の肺活量があるかのように」とステイメイツ氏は言う。
現在使用している化学検知器は、空気を継続的に吸い込んでサンプルを採取します。「ただ吸い込むだけでは、周囲に漂っている蒸気分子を捕らえる能力は限られています」とステイメイツ氏は言います。「これらは受動的なサンプラーなのです。」
偽の鼻の成功に勇気づけられ、ステイメイツ氏とチームは市販の化学物質検知器にクリップで留める小さな空気ジェットを2つ設計した。このジェットは「犬と同じように、2つの鼻孔のように一方向に空気を噴射します」とステイメイツ氏は言う。
この化学検出器は、吸入する代わりに「嗅ぐ」TNTの検出力が最大16倍も高かった。
検出器が蒸気源（少量のTNT火薬を混ぜたゼラチン缶）のすぐ近くにある場合、ジェット噴射はあまり役に立ちませんでした。近距離では、蒸気を吹き飛ばしてしまうほどでした。しかし、缶が遠ざかるほど、検出器は従来の技術よりも優れた性能を発揮しました。
「次世代の蒸気検知器に犬の鼻孔のようなものを搭載することを提案しているわけではありません」とステイメイツ氏は言う。「ただ何かが魔法のようにセンサーに付着するのを待つのではなく、空気の流れを制御して、センサーの表面をほぼ強制的に空気が撫でるようにすることで、よりスマートな方法を実現できるかもしれません。」
