2022年10月2日，即飓风伊恩袭击佛罗里达州四天后，一只名叫阿瑞斯的搜救罗威纳犬正走在迈尔斯堡被毁坏的街道上，这时他一直在接受训练。阿瑞斯在一栋被毁坏的房子里嗅到了一股气味，他跑上楼，他的训导员跟在后面，小心翼翼地在废墟中寻找出路。
他们发现一名男子在天花板塌陷后被困在浴室里两天。伊恩是佛罗里达州最严重的飓风之一，约有152人死亡，但由于Ares能够追踪气味的来源，这位幸运的男子得以幸存.
我们常常想当然地认为狗有能力找到埋在瓦砾下的人，飞蛾可以跟随气味羽找到它的伴侣，或者蚊子可以闻到你呼出的二氧化碳。然而，靠鼻子导航比看起来要困难得多，科学家们仍在研究动物是如何做到这一点的。
“困难在于，与光和声音不同，气味不会沿直线传播，”哈佛大学生物物理学家高塔姆·雷迪(GautamReddy)说，他在2022年年度回顾中与人合着了一项关于动物定位气味源方式的调查凝聚态物理。您可以通过观察一缕香烟烟雾来了解问题所在。起初它上升并沿或多或少的直线路径行进，但很快它开始振荡，最后它开始混乱地翻滚，这个过程称为湍流。动物怎么能沿着如此曲折的路线回到它的起源地呢?
在过去的几十年里，一系列新的高科技工具，从基因改造到虚拟现实再到数学模型，使得以截然不同的方式探索嗅觉导航成为可能。事实证明，动物使用的策略及其成功率取决于多种因素，包括动物的体型、认知能力和气味羽流中的湍流量。有一天，这种不断增长的理解可能会帮助科学家开发出可以完成我们现在依赖动物完成任务的机器人：狗寻找失踪人员，猪寻找松露，有时老鼠寻找地雷。
追踪气味的问题似乎应该有一个基本的解决方案：简单地四处嗅探，然后朝气味最强烈的方向走去。继续，直到找到来源。
如果气味分子分布在混合均匀的雾中，这种称为梯度搜索或趋化性的策略会非常有效，这是称为扩散的过程的最后阶段。但是扩散发生得非常缓慢，因此彻底混合可能需要很长时间。在大多数自然情况下，气味以狭窄且轮廓分明的气流或羽流的形式在空气中流动。这样的羽流以及它们散发出的气味，传播的速度比它们通过扩散传播的速度要快得多。在某些方面，这对捕食者来说是个好消息，因为它们无法等待数小时来追踪猎物。但消息并不都是好消息：气味羽流几乎总是湍流，湍流使得梯度搜索效率极低。在任何给定点，气味增加最快的方向很可能指向远离源头的方向。
动物可以调用各种其他策略。飞行昆虫，例如寻找配偶的飞蛾，采用“投掷和激增”策略，这是一种风速，或基于气流的反应。当雄蛾检测到雌蛾的信息素时，他会立即开始逆风飞行，假设有风。如果他失去了气味——这很可能会发生，尤其是当他远离雌性时——他就会开始在风中左右“投掷”。当他再次找到羽毛时，他会继续逆风飞行(“浪涌”)并重复这种行为，直到他看到雌性。
一些陆生昆虫可能会使用一种称为tropotaxis的策略，这可以被认为是立体嗅觉：比较两个触角的气味强度并转向获得最强信号的天线。哺乳动物的鼻孔相对于体型的间距通常比昆虫的触角更窄，它们经常使用一种称为klinotaxis的比较购物策略：转动你的头并在一侧嗅闻，转动你的头并在另一侧嗅闻，然后将身体转向气味更浓的方向。这需要稍高的认知水平，因为需要保留对最近一次嗅探的记忆。
气味感应机器人可能有另一种可以借鉴的策略——大自然可能永远不会想出的策略。2007年，巴黎高等师范学院的物理学家MassimoVergassola提出了一种名为infotaxis的策略，其中嗅觉符合信息时代。虽然大多数其他策略纯粹是被动的，但在infotaxis中，导航器会根据之前收集的信息创建一个来源最有可能所在的心理模型。然后它将朝着最大化有关气味来源的信息的方向移动。
机器人将向最可能的来源方向移动(利用其先前的知识)或向其拥有最少信息的方向移动(探索更多信息)。它的目标是找到开发和探索的组合，使信息的预期收益最大化。前期以探索为主;随着导航器越来越接近源头，开发是更好的选择。在模拟中，导航员使用这种策略行进的路径看起来很像飞蛾的抛掷轨迹。
在Vergassola的最早版本中，领航员需要绘制周围环境的心理地图并计算一个称为香农熵的数学量，这是一种衡量不可预测性的指标，在领航员未探索的方向上较高，在探索过的方向上较低。这大概需要动物不具备的认知能力。但是Vergassola和其他人开发了计算要求较低的更新版本的信息出租车。例如，动物“可以走捷径，可能将解决方案近似在20%以内，这非常好，”年度评论文章的合著者Vergassola说。
Infotaxis、klinotaxis、tropotaxis、anemotaxis……哪辆出租车会先送你到目的地?解决这个问题的一种方法是超越对动物行为的定性观察，并对虚拟小动物进行编程。然后，研究人员可以计算出在空气和水中的各种情况下各种策略的成功率。“我们可以操纵更多的东西，”匹兹堡大学的数学家、Odor2Action的成员BardErmentrout说，Odor2Action是一个由科罗拉多大学博尔德分校的流体动力学家JohnCrimaldi组织的72人研究小组。例如，研究人员可以测试苍蝇的策略在水下的效果如何，或者他们可以增加流体的湍流并查看特定搜索策略何时开始失败。
到目前为止，模拟表明，当湍流较低时，立体嗅觉和比较购物在大部分时间都有效——尽管正如预期的那样，前者对传感器间距较大的动物(想想昆虫)效果更好，而后者对传感器间距较大的动物效果更好紧密间隔的传感器(想想哺乳动物)。但是，对于高湍流，模拟动物在这两种方法中都表现不佳。然而，实验室实验表明，真正的老鼠几乎不会被湍流的羽流吓到。这表明老鼠可能仍然有我们不知道的技巧，或者我们对klinotaxis的描述过于简单。
此外，虽然模拟可以告诉您动物可能会做什么，但它们不一定会说出它会做什么。而且我们仍然没有办法问动物，“你的策略是什么?”但是用果蝇进行的高科技实验越来越接近杜立特博士式的梦想。
果蝇在许多方面都是气味研究的理想生物。它们的嗅觉系统很简单，只有大约50种受体(相比之下，人类大约有400种，老鼠有1000多种)。他们的大脑也相对简单，他们的大脑中枢神经元之间的连接已经被绘制出来：果蝇的连接体，一种中枢大脑的接线图，于2020年发表。“你可以查找任何神经元，看看谁Odor2Action团队的另一名成员、纽约大学的神经科学家KatherineNagel说。以前，大脑是一个黑盒子;现在，像Nagel这样的研究人员只需查找其中的联系即可。
关于苍蝇的一个谜团是它们似乎使用与飞蛾不同版本的“激增和施放”策略。“我们注意到，当苍蝇遇到气味羽流时，它们通常会转向羽流的中心线，”耶鲁大学生物物理学家ThierryEmonet说。一旦他们找到中心线，源极有可能直接位于上风处。“[我们]问，苍蝇怎么知道羽流的中心在哪里?”
Emonet和他的合作者DamonClark(物理学家，他的实验室就在隔壁)用虚拟现实和转基因果蝇的巧妙结合回答了这个问题。在2000年代初期，研究人员开发了具有对光有反应的嗅觉神经元的突变果蝇。“它将天线变成了原始的眼睛，因此我们可以像研究视觉一样研究嗅觉，”克拉克说。
这解决了气味研究中最大的问题之一：你通常看不到动物正在响应的气味羽流。现在您不仅可以看到它，还可以放映任何您想要的气味景观的电影。转基因苍蝇会将这种虚拟现实感知为一种气味，并做出相应的反应。另一种突变使果蝇失明，这样它们的实际视力就不会干扰视觉“气味”。
在他们的实验中，Clark和Emonet将这些转基因果蝇放在一个容器中，将它们的运动限制在二维范围内。在果蝇适应了这个环境后，研究人员向它们展示了一个由移动条纹组成的视觉气味景观。他们发现，苍蝇总是朝着迎面而来的条纹走去。
接下来，Clark和Emonet展示了一个更逼真的气味景观，其中有从真实羽流中复制的湍流曲折和漩涡。苍蝇能够成功地导航到羽流的中心。最后，研究人员放映了同一羽流的时间反转电影，因此虚拟羽流中气味的平均运动是朝向中心，而不是远离——这是不可能用真实气味羽流进行的实验.苍蝇被这个奇异的世界羽流弄糊涂了，它们远离中心而不是靠近它。
Clark和Emonet总结道，苍蝇必须感知气味包的运动，Emonet称这些气味分子为离散团块。想一想：当你闻到邻居烤肉的味道时，你能分辨出从你鼻子里冒出来的烟雾颗粒是从左到右，还是从右到左吗?这并不明显。但苍蝇可以分辨——而嗅觉研究人员此前忽视了这种可能性。
感知气味分子的运动如何帮助苍蝇找到羽流的中心?关键在于，在任何给定时间，离开羽流中心的气味分子多于向中心移动的气味分子。正如Emonet所解释的那样，“中心线上的数据包数量比远离它的要多。所以你会得到很多在中心的数据包移开，而不是从外面移进来的那么多。每个数据包单独有相同的概率向任何方向移动，但总体上存在远离中心的分散。”
事实上，苍蝇正在以一种非常复杂的方式处理传入的感官信息。在有风的环境中，苍蝇的行进方向实际上是两个不同方向的组合，即气流方向和气味包移动的平均方向。通过使用果蝇连接组，Nagel已经确定了大脑中必须发生这种处理的位置之一。苍蝇的风感神经元在大脑中的一个特定位置交叉其嗅觉方向感测神经元，这个位置被描述为“扇形体”。两组神经元一起告诉果蝇向哪个方向移动。
换句话说，苍蝇不仅对其感官输入做出反应，而且还将它们结合起来。由于每组方向都是数学家所说的向量，因此组合是向量和。Nagel说，苍蝇可能真的在添加载体。如果是这样，他们的神经元正在执行人类大学生在矢量微积分中学习如何进行的计算。
Nagel计划接下来在甲壳类动物的大脑中寻找类似的神经结构。“气味完全不同，运动也不同，但这个中央复杂区域是保守的，”她说。“他们做的事情和苍蝇基本一样吗?”
虽然连接组和虚拟现实实验产生了惊人的见解，但仍有许多问题有待回答。像阿瑞斯这样的狗如何追踪部分在地面上、部分在空气中的气味?他们如何分配嗅地面和嗅空气之间的时间?就此而言，“嗅探”是如何工作的?许多动物主动扰乱气流，而不仅仅是被动地接受气流;例如，老鼠用胡须“拂动”。他们如何使用这些信息?
动物可能拥有哪些其他非人类能力，类似于苍蝇检测气味包运动的能力?这些以及更多的谜团很可能会让生物学家、物理学家和数学家长期寻找答案。