松鼠作為新型生物探測器的可行性研究

可行性研究論文范文第三篇：松鼠作為新型生物探測器的可行性研究

　　摘要：生物探測器對氣味具備很高的選擇性和敏感性，雖然犬（Canis familiaris）一直廣泛應用于各個領域，但犬在特殊場合存在局限性，需要開拓生物探測器的選擇視角。介紹了犬及現有其他生物探測器的研究現狀，并以松鼠（Sciurus vulgaris）作為新型生物探測器需要具備的性能角度，對松鼠的嗅覺敏感性、學習認知能力（如靈活性、持久性、短期記憶能力等）、行為特點、生活習性、社會性和可訓練性等方面進行分析評估。結果表明：松鼠在嗅覺敏感性、學習認知能力、行為特點、生活習性等方面的優勢明顯，松鼠在社會性、可訓練性等未知領域的研究路徑可行。松鼠具備生物探測器的潛質，亟待開展相關研究證明松鼠的潛在能力，彌補現有生物探測器的局限。

　　關鍵詞：松鼠；生物探測器；優勢性能；社會性；可訓練性；

　　作者簡介：孫寧，女，48歲，教授；主要從事警犬技術與動物行為研究。E-mail:1336794661@qq.com;*朱啟文，E-mail:qwzhu18@163.com;

　　基金：國家重點研發計劃"公共安全風險防控與應急技術裝備"重點專項（2017YFC0803602）；

　　Abstract:Biodetector has a high selectivity and sensitivity to smell. Although dogs have been widely used in various fields,they have limitations in special occasions. So the selection perspective of biodetector needs to be explored. In this paper,the research status of dogs and the other biodetectors was introduced,and from the perspective of squirrel's performance as a new type of biodetector,the squirrel's olfactive sensitivity, learning and cognitive ability（ such as flexibility,persistence,short-term memory ability,etc.），morphology,living habits,sociability,trainability and other aspects were analyzed and evaluated. It is concluded that squirrels have obvious advantages in olfactive sensitivity,learning and cognitive ability,morphology,life habits,etc. In addition,squirrels have feasible research approaches in unknown fields such as sociability and trainability. Therefore,squirrels have the potential of biodetectors. It is urgent to carry out relevant studies to prove the potential of squirrels and make up for the limitations of existing biodetectors.

　　Keyword:Squirrel; Biodetector; Performance advantage; Sociability; Trainability;

　　近年來，化學分析儀器和檢測方法發展很快，檢測限越來越低，速度越來越快，設備的可移動性越來越好。雖然技術取得了很大的改進，但是生物探測在安保、排爆、緝毒、搜救、污染物探測等方面的作用仍然不可替代。因為生物探測不但能夠直接在現場靈敏地探測到氣味，而且還會自動跟隨氣味羽流到達其來源地，這種對氣味定位的選擇性、敏感性和現場通用性，是目前任何一種儀器都無法媲美的[1].

　　1 首選生物探測器--犬的應用現狀

　　生物探測器（Biodetector），是指利用生物嗅覺系統來識別、定位和檢測氣味的特殊工具。生物探測器中一直廣泛使用的是犬（Canis familiaris），至今犬依然在刑事偵查、危險品搜索方面占有主導地位[2,3],被公認為揮發性氣味現場檢測的金標準[4].但是在實踐中，犬仍存在一定的局限性，犬不適合特定的檢測情況，如：車廂機艙的行李架、貨架、屋頂、高處建筑、集裝箱和懸崖等高處空間，高度在1 m以上的地點及物品超出了警犬能搜索到的高度極限；地震廢墟、倒塌建筑掩埋物、下水道、空調管道系統和車底等，警犬體型受限無法觸及的狹小空間。另外，犬是最早被馴化的物種，犬與人建立了親密關系。犬會強烈依賴人類的行為[5].犬在沒有人類參與的情況下，對于獨立的問題任務，犬的平均成功率僅為5%,犬會過早地放棄任務，可能是由于對人類過于依賴[6].犬對人的表情[7]、手勢[8]、注意力[9]等敏感。當變換主人時會影響犬的檢測及行為，導致檢測結果不一致[10],同時犬會分散注意力，準確性可能降低[11].犬高度社交反應可能反過來會干擾獨立的問題解決能力[6].在高溫環境中犬也極易中暑、嗅覺效率降低[12].鑒于犬作為生物探測器的局限之處和單一性，能否發掘新型生物探測器作為犬的補充動物甚至替代動物，值得深入探究。

　　2 其他生物探測器的研究現狀

　　國外對潛在的其他動物也做了研究，包括紅足側溝繭蜂（Microplitis croceipes）、蜜蜂（Apis mellifera）、飛蛾、大鼠（Cricetomys gambianus）和小鼠，這些動物也已經在開展氣味檢測任務訓練，各有利弊[13,14,15].

　　昆蟲有良好的嗅覺能力。昆蟲的觸角比最好的人工傳感器和嗅探犬更敏感，是動物界中最敏感、最有選擇性的化學感應器之一。昆蟲可以在幾毫秒內感知到每立方米空氣中皮克級別的特定揮發性有機化合物，這遠低于當前分析設備的檢測閾值。盡管理論上昆蟲有執行氣味檢測任務的嗅覺能力，而且體格較小、靈活、攜帶方便且繁殖便宜，但它們的壽命比嚙齒動物（Rodentia）短，身體較弱小，并且需要更精細的獎勵控制設置，以及需要嚴苛的環境條件，比如蜜蜂怕黑、怕低溫（<4.5℃），不能在夜里或寒冷的天氣里使用。還有一個缺點就是它們感測特定化學物質的能力取決于物種，如馬達加斯加蟑螂（Gromphadorhina portentosa）觸角只對苯丙胺和咖啡因起反應，歐洲葡萄蛾（Lobesia botrana）可用于檢測大麻，西方蜜蜂（Apis mellifera）觸角可以特異性檢測少量的海洛因和可卡因[15].這反映了昆蟲觸角中嗅覺神經元表面上特定的氣味結合蛋白（OBPs）和相應氣味受體結合的特異性。因此，基于昆蟲的開發取決于識別對違禁品釋放的揮發性物質具有特異性和敏感性的昆蟲物種。

　　近幾年，人們對嚙齒動物產生了興趣。嚙齒類動物有較好的嗅覺能力，例如，在實驗室中的大鼠，經過訓練能夠搜索毒品氣味，并訓練其以后肢站立方式示警[16];坦桑尼亞的非營利組織APOPO,訓練非洲巨鼠（Cricetomys gambianus）探測地下地雷[14]和結核病[17,18]以拯救生命。嚙齒動物的優勢在于身體尺寸和重量較小、訓練時間快速、成本低及繁殖率高，并且不依賴于主人。目前開發仍處于實驗室或原型階段，在實際場景中的應用研究尚未開展。

　　3 作為新型生物探測器--松鼠需要具備的性能要求評估

　　松鼠（Sciurus vulgaris），也是嚙齒動物，屬于哺乳綱（Mammalia），嚙齒目，松鼠科（Sciuridae），松鼠屬，具有特有的生物學特性。迄今為止沒有研究證明松鼠生物探測的潛在能力。

　　松鼠作為生物探測器是否具有開發價值，犬的性能篩選標準為松鼠潛在能力的預測提供了一種有用的參考方法。作為一直廣泛使用的生物探測器，犬能夠執行探測任務，所需性能通常包括嗅覺敏感性、學習認知能力（如靈活性、持久性、短期記憶能力等）、社會性、可訓練性等方面。

　　3.1 嗅覺敏感性

　　靈敏的嗅覺是進行氣味類搜索作業必備的條件，決定著對氣味的感受和辨別能力，也決定能否成功識別違禁品。嚙齒動物有良好的嗅覺能力，松鼠也是嚙齒動物，目前還沒有行為測試可以系統地評估松鼠的氣味探測能力，但有研究表明松鼠嗅覺敏銳的解剖學結構基礎[19].松鼠的鼻腔結構比較特殊，松鼠鼻腔中的鼻甲呈復雜分支型或折疊鼻甲，復雜的分支意味著增加了呼吸表面積，而小鼠、大鼠、倉鼠鼻甲是渦旋形的；松鼠鼻腔嗅覺上皮細胞覆蓋面積很廣，高達50%-63%,而土狼（Canis latrans）為29%-40%,山貓（Lynx rufus）為16%-30%.一般體重大于1 kg的哺乳動物，嗅覺上皮細胞占鼻腔面積的比例不到30%.松鼠鼻腔內有鼻甲骨和上頜鼻甲骨的復雜分支，意味著呼吸表面積的增加和更有效的熱量和水分的調節機能，這在其他小型嚙齒動物中是沒有觀察到的。

　　另外一種證明松鼠嗅覺靈敏的證據，就在于松鼠能夠重取貯藏物以及盜取其他松鼠的貯藏物。一直以來，松鼠重取貯藏物是空間記憶機制還是嗅覺機制存有爭議，到目前為止，研究者們大都還是認為松鼠與許多嚙齒動物一樣主要依靠嗅覺來重取其貯藏的食物[20].

　　3.2 學習認知能力

　　在嚙齒動物中，松鼠的情商（EQ）最高[21].情商的增加可能與松鼠的樹棲習性有關。松鼠腦重量5.7-7.2 g（體重550-675 g），大鼠腦重量1.4-1.9 g（體重200-500 g）。與實驗大鼠和野生大鼠相比，松鼠的大腦占體重的比例、皮層半球占全腦的比例明顯更大。

　　松鼠衰老對學習認知沒有明顯影響，在顏色-逆向學習任務中，9歲松鼠達到學習標準的速度與2歲松鼠一樣快[22].中國工作犬的服役年限一般不超過7歲，因為犬衰老會導致學習、記憶和行為靈活性等認知領域的下降[23].

　　松鼠可以通過觀察特定物種來學習[24].松鼠在很多情況下都表現出了高度的認知和行為靈活性。松鼠可以毫無困難地完成逆轉學習任務，包括空間反轉學習任務[25]、顏色反轉學習任務[26];松鼠可以高效、獨立地解決變化后的問題[27],當任務變換后，松鼠可以放棄原有的、學會的解決方案，采用不同的解決方案試錯，而且第一次嘗試便成功，其成功和高效率的解決問題能力說明了它們的認知和行為靈活性。

　　松鼠的空間認知能力較高。松鼠在秋天分散囤積貯藏成千上萬的堅果后，還能夠重新定位自己的貯藏[28].

　　松鼠存在強大的抑制控制機制和注意力等學習機制，松鼠抑制控制機制最直接的證據就是松鼠的食物貯藏行為[22],表現為可以停止挖掘，來等待特定種子再開始貯存。在復雜的生存背景下，抑制性控制和注意力機制對松鼠具有適應性意義。抑制控制機制和注意力等學習機制決定了松鼠的作業持久性，再加上尚未與人類形成互為依賴的關系，也許獨立解決問題的能力會更強。

　　松鼠至少在空間領域具有良好的長期記憶能力：松鼠在間隔數周甚至數月的時間內還能找到成千上萬的食物儲藏量[29],盡管存儲位置存在特定領域的可能性。在非空間記憶任務上，松鼠在歷經22個月后，仍然采用以前相同的有效策略來解決同一問題[30].

　　以上對松鼠認知上的一些研究，充分證明松鼠的學習記憶能力、持久性、選擇性和靈活性等行為特征。

　　3.3 行為特點

　　松鼠體型小巧，是典型的樹棲嚙齒動物[31],與更多嚙齒動物相比，松鼠更加敏捷且視野更好，這可能與變成樹棲動物的過程有關[32],更善于攀登和跳躍，喜登高，可以搜索高處空間及復雜地形中的氣味。松鼠動作靈巧、善鉆洞穴，可以搜索地下、縫隙、角落中的氣味。因此能夠利用其身體形態優勢，有效開展高處區域及狹小空間的搜救、緝毒、搜爆及危險因素排查等工作，彌補警犬搜索作業的缺陷。

　　另外，松鼠還可用于探雷作業。非洲巨鼠探測地下地雷[14,16],但它是夜行動物，訓練和使用受限。使用犬探測地雷及UXO（未爆炸軍火）也越來越多，但犬經常面臨容易引爆地雷及受到傷害的危險[33],而且立體空間如懸崖峭壁、樹枝等處犬無法觸及，存在掃雷的盲區。松鼠體態輕盈且可攀爬懸崖，可輕松自如地在埋雷區域穿梭往來且無法激活地雷。鑒于動物探雷比人工排雷速度更快、更經濟，探雷松鼠未來會大有作為。

　　松鼠前肢活動非常靈巧，日常使用其前爪和眼睛進行物體探索，比小鼠、大鼠更能體現前肢為中心的生活方式，因為松鼠的運動皮層組織有其獨特的組織結構，包括體感區（somatosensory area, 3a）和后頂葉皮層（posterior parietal cortex, PP）之間的牢固連接，外層視覺皮層的劃分，主要運動區域（primary motor area, M1）中觸須和前肢表示的微分連接。松鼠的運動皮層組織連通性與靈長類動物（Primates）相似[34].

　　與實驗大鼠相比，松鼠的視覺系統非常發達。具有類似于人類的視覺生態，具有雙色彩色視覺，松鼠視網膜由60%-90%的視錐細胞組成，大鼠視網膜由80%以上的視桿細胞組成[35];松鼠視網膜錐體對淺綠色和藍色光波敏感，而大鼠視網膜錐體對綠和紫外（UV）光波敏感[36];與大鼠的3層外側膝狀核（LGN）相比，松鼠具有5層LGN[37].松鼠的主要視覺區域具有明顯的層狀組織，并且V1中神經元的反應特性與其他視覺系統良好的哺乳動物相似，而大鼠缺乏這種層狀特異性[38].松鼠專用于視覺處理的背外側皮層比例更高[39].松鼠是高度視覺化的嚙齒動物[40].松鼠的視覺導向也會在氣味探測和復雜多變的環境適應上發揮重要作用。

　　3.4 生活習性

　　大鼠與小鼠的夜間習性使它們不適用于人類晝夜節律的活動[41].松鼠的生活方式與小鼠和大鼠生活方式完全不同，松鼠是日行性動物，松鼠與人類晝夜作息規律一致，適合特殊任務的訓練與使用。松鼠全年活動，不冬眠，日�；顒映掷m時間不會隨季節變化[42].松鼠繁殖能力較強，每年產仔約2次，每次產4-6只。松鼠妊娠35-40 d, 斷奶7-10周，性成熟9個月，飲食為草食或雜食。松鼠平均壽命12歲，大鼠壽命1.5-3.5歲，犬壽命12-15歲。顯然，在使用壽命和訓練成本上，松鼠遠優于小鼠和大鼠。松鼠體型小，與警犬所需要昂貴費用相比（如訓練、飼養、專門的人力和龐大的生活空間），松鼠的飼養管理干凈衛生，成本較低，且出入便攜。

　　3.5 社會性

　　社會性，又稱"親和力""依戀性"等，是指在遺傳和選育的基礎上，在與人的互動中建立的穩定依從關系、對社會的認知能力以及對環境的適應能力等[43].松鼠社會性以及相關的研究很少，通常認為，松鼠膽小而敏感[44].但有研究表明，相比于大鼠生性膽小、難以馴服[45],松鼠的社會化水平是較高的。松鼠的社會行為類似于高度馴化和近親繁殖的嚙齒動物所表現出來的模式[46],介于合群的近交系實驗鼠（約60%）和非合群系實驗鼠（約20%）之間[47].

　　國外對犬的社會性研究較為繁多、散亂，但可以作為挖掘松鼠社會性、適應與人及環境關系的參考依據。犬的社會性可在很多方面體現，如：處于熟悉或陌生的環境中的心理狀態以及在訓練中的服從性等[48,49].犬的社會性貫穿于一生，是工作犬訓練和使用的基礎，社會性較好的犬能夠克服許多外界干擾因素，例如恐懼、焦慮等，積極地投入到與人的互動中。研究表明，社會性良好的犬更易于培訓成為工作犬[43].所以松鼠的社會性測試及與人的親和關系的建立是不容忽視的重要環節。由于尚未建立松鼠的社會性測試方法，所以如何借鑒國外犬的測試方法，建立適合松鼠訓練的、客觀有效的評估方法，是目前亟待解決的問題。

　　3.6 可訓練性

　　一旦松鼠與人建立了親和關系，需要進一步訓練松鼠完成指定任務。松鼠是否具備可訓練性還未見報道�？捎柧毿允侵笧閳绦刑囟ㄋ阉饕�求而必須訓練的各種認知、行為和社會特征�？捎柧毿允呛饬繉W習新任務的能力和速度的一種方法，并被廣泛認為是探測犬的重要特征。學習新作務時，可訓練性好的犬可以在盡可能少的訓練中快速地學習更多的氣味識別和搜索模式，從而提高培訓效率[50].可訓練性比嗅覺的敏感性和準確性更重要，獵犬（bloodhounds）比德國牧羊犬（German shepherds）的氣味敏銳度高，但很少用于嗅覺檢測服務，因為它的可訓練性差[51].松鼠需要人類引導和訓練必備的認知行為，將來還要與人一起執行任務。松鼠具備可訓練性至關重要。因此，需要測試松鼠對人的服從能力、學習新任務的訓練能力等情況，綜合評估松鼠表現的行為特征，進而預測其是否適合培訓成為生物探測器。

　　4 作為新型生物探測器--松鼠未知研究領域的對策分析

　　以上關于松鼠的綜述提供了一個值得進一步探索的基礎框架，松鼠的嗅覺敏感性、學習認知能力（如靈活性、持久性、短期記憶能力等）、行為特點、生活習性等具有獨特優勢，但松鼠的社會性和可訓練性，即親和與馴服的研究極具挑戰性，前人未曾研究，且松鼠對人類敏感，人類如何處理與松鼠的關系，才能使松鼠肆無忌憚地展現更多優勢與潛能，在指定方向下為人所用。目前，一些非馴化動物與人類社交的研究進展以及犬的馴化、犬與人高水平互動的研究途徑，為松鼠的社會性親和與馴服的深入研究提供了豐富的借鑒經驗，堅信松鼠可與人類親和、具備可訓練性。有如下對策可以嘗試探索。

　　4.1 訓練方法采用正強化與輔助正強化結合

　　4.1.1 正強化方法

　　傳統上動物訓練被認為是一種手工技能，比如來自個人經驗、歷史傳承等，但目前普遍接受動物訓練是可以有效干預的。各種物種，如馴化動物（犬）、野生動物，甚至是昆蟲、魚和海洋哺乳動物都可達到訓練有素，訓練方法都是得益于正強化訓練。促進松鼠親和、馴服及各種違禁品氣味識別訓練的過程，可以采取正強化的方法。正強化可以塑造動物的行為，當動物表現出期望的行為時，給與正強化（比如食物獎勵），使動物將獎勵與發生的行為聯系起來。食物獎勵是維系互動關系最重要的因素，即使動物懼怕人類[52].犬之所以能與人親近交流互動，動機是什么？目前尚不清楚，可能是在某種程度上，由于犬對獎勵有興趣才導致了犬的親社會行為[53].野生動物同樣也是可以獲得社會互動的，獎勵在近親繁殖的、圈養的嚙齒動物中起作用[46].只要與松鼠高度偏愛的食物有關的行為，它都會快速習得[22].松鼠對食物的強烈欲望可以成為親和、馴服，甚至是后期氣味檢測訓練和搜索過程中的持續動機。在訓練犬時，食物或游戲獎勵占80%.在今后開展的相關實驗中可以深入研究松鼠的獎勵來源是否只局限于食物。

　　4.1.2 輔助正強化方法

　　當前廣泛采用的輔助正強化形式是使用手持式金屬發聲器響片（clicker），即響片首先與食物配對，然后通過響片的"喀噠"聲來標記期望行為的表現，具有正增強作用。更具體地說，響片的"喀噠"聲擔當了行為與即將到來的獎勵之間的"時間橋".當動物執行期望的行為時，訓練者會精確地單擊，而不會有任何時間延遲，然后提供食物獎勵，這明顯加強了獎勵行為。

　　響片訓練已在多個物種上成功實施，包括犬、馬、貓、雞和魚類[54,55,56].訓練松鼠的親和、馴服及各種違禁品氣味識別，都可以采用響片訓練法。采用響片訓練松鼠未見報道，但推測這種方法也適用于松鼠，原因為響片只是作為食物獎勵的一個補充，但不剝奪食物，食物對松鼠等非馴化動物是不可缺少的獎勵；只用響片捕捉期待行為并獎勵，不使用任何懲罰，松鼠本性敏感，負強化不適用于松鼠；使用響片的訓練周期非常短，一些需要數月才能建立的行為可能只需要10余天即可達成。

　　4.2 選擇較親和的種類

　　動物的氣質特征受遺傳因素和社會環境的共同影響，松鼠的社會接觸能力、合作能力及服從能力等會受到遺傳因素的影響，可選擇較親和的種類。松鼠種類很多。全球有33屬231種，中國有11屬34種，在性情、興奮性、認知能力、親和性、可訓練性等方面都存在差異。近年來松鼠成為一種新興寵物，可以選擇溫順、可合作的寵物種類進行嘗試。比如魔王松鼠（Sciurus vulgaris）、赤腹松鼠（Callosciurus erythraeus），或直接鎖定這些種類進行選拔、育種和培訓。

　　4.3 社會化期進行環境豐富化

　　在松鼠的氣質特征養成前，提前進行社會化期鍛煉。社會化期是社會行為發育的主要階段，此時神經系統迅速發育，讓松鼠認知多樣化的社會環境（包括新穎的物體、不同人、不同環境等），有助于松鼠自信地面對各種刺激，減少恐懼，有助于增強松鼠的社會性。

　　4.4 以服從人類指向手勢評估和訓練松鼠服從

　　松鼠的可訓練性可以通過訓練松鼠服從人類指向手勢來進一步了解和評估。使用人類指向手勢是馴服最突出的表現[57].一些馴養的動物（例如貓、狗、馬、豬、山羊）能夠在認知任務中使用人類手勢[58].野生物種，如大象（Loxodonta africana）、狼（Canis lupus）、非洲海狗（Arctocephalus pusillus）、寬吻海豚（Tursiops truncatus）、寒鴉（Corvus monedula），也已顯示出對人類手勢的反應[57,59].人工飼養狐貍（Vulpes vulpes）可以接近陌生的人類或新穎的物體，聽從人類手勢像犬一樣熟練[60].人工飼養雪貂（Mustela furo）在其社會親和行為和對人類定向手勢的反應能力上，顯示出類似于犬的社交認知能力[61].因此，其他非馴化動物為松鼠的馴服提供了研究可能性。

　　4.5 針對特殊平臺專項開展搜索任務

　　鑒于松鼠對人和環境敏感的特征，可以將松鼠定向在特殊的環境中開展搜索工作，比如物流寄遞集散中心、機場行李運輸帶、海關集裝箱等非高刺激環境。

　　綜上所述，松鼠的相關研究為新型生物探測器的開發提供了一條嶄新的思路。松鼠在嗅覺敏感性、學習認知能力（如靈活性、持久性、短期記憶能力等）、行為特點、生活習性等方面優勢明顯，松鼠在社會性、可訓練性等未知領域的研究路徑可行，使松鼠具備生物探測器的潛質，亟待開展相關研究證明松鼠的潛在能力，彌補現有生物探測器的局限，因此，有必要深入了解松鼠對氣味的嗅覺認知能力、學習認知能力等生物學特性，建立松鼠的社會性測試方法，建立松鼠與人的親和關系，綜合評估松鼠對人的服從能力、學習新任務的訓練能力等行為特征，掌握松鼠對人類的親和性及可馴服性第一手數據，進而發掘和培訓松鼠作為新型生物探測器。目前，本研究團隊已經開始了相關研究，已總結和建立了一套適應于實驗室內的緝毒松鼠的培育與訓練體系，同時也為評估松鼠的特定行為特征提供了概念驗證，但仍需要進一步對松鼠的生物學特性深入研究和評估，還必須進行大規模多場景實戰應用試驗，有望率先應用于物流寄遞集散中心、機場行李運輸帶、海關集裝箱等封閉環境進行搜毒、搜爆等安全檢測，并逐步拓展至復雜開放條件下的安全檢測、軍事排雷、消防救援等多場景國防安全領域。

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