フィド爆発物探知機

Fido爆発物検出器は、電池駆動の携帯型センサーデバイスで、増幅蛍光ポリマー（AFP）材料を使用して、トリニトロトルエン（TNT）などの高性能爆薬の痕跡レベルを検出します。^{[1] [2]これは、ICXテクノロジーズ（現在は}FLIRシステムズが所有）の子会社であるNomadicsによって、2000年代初頭に国防高等研究計画局（DARPA）のDog's Noseプログラムの一環として開発されました。 ^{[3] [4]} Fido爆発物検出器は、現実世界で地雷を検出できる最初の人工鼻と考えられています。 ^{[5]このデバイスは、爆発性蒸気を}10兆分の1（10の15乗分の1）の濃度で検出する能力にちなんで名付けられました。これは、隠された爆発物を見つけるための歴史的な「ゴールドスタンダード」である爆弾探知犬の鼻の感度に匹敵します。 ^{[6] [7] [8]}

ファイド爆発物検出器は、配備された地雷の85％以上に含まれるTNT分子に非常に敏感な特別に作られた蛍光ポリマーフィルムを使用することで、微量爆発物検出器として機能します。 ^{[9] [10]}

薄膜は、紫外線にさらされると自然に可視光を発する増幅蛍光ポリマーの多くの繰り返し鎖で構成されています。蛍光は、励起状態の電子（励起子）が光子を吸収してポリマー骨格に沿って移動し、隣接するポリマー鎖の間を移動することによって発生します。しかし、TNTなどの電子不足分子がポリマーに結合し、移動する励起子を結合部位に捕捉すると、蛍光反応は消光されます。 ^{[10] [11]} TNT分子1つで、薄膜内のポリマー鎖全体の蛍光を弱めることができるため、TNT結合イベント1回の影響が増幅され、感度の低い分子センサーの検出を回避できる場合があります。薄膜の設計により、TNT分子はポリマー鎖のどこにでも結合できるため、TNT結合イベントが発生する機会が大幅に増加します。^[7]フィド爆発物検出器に使用されている増幅蛍光ポリマーは、ニトロ芳香族爆発物に優先的に反応するように設計されている。TNT分子の結合は、ポリマーと標的分析物との間の静電型相互作用によって引き起こされると考えられている。選択性は、所望の標的分析物の静電鏡像である構造をポリマーに合成することによっても改善できる。報告によると、ポリマーは従来の消光メカニズムと比較して、蛍光反応の消光を100～1000倍増幅できるという証拠がある。^[10]

蛍光ポリマーフィルムは、Fido爆発物検出器が空気を吸い込むために使用する小さなガラス管の内面にコーティングされています。検出器内の青色発光ダイオード（LED）は蛍光ポリマー電子を励起する役割を果たし、検出器の光電子増倍管は放出された光の波長を増幅して読み取り、ポリマーフィルムによって生成された光が暗くなったかどうかを識別します。^{[5] [10] [12]} Fido爆発物検出器は、ポリマーフィルムに結合する分析対象の質量に反比例する光電子増倍管の強度を記録することにより、サンプルを採取した空気のほぼリアルタイムで瞬時の分析を提供します。分析対象とフィルムの結合は可逆的であるため、ポリマーフィルムはサンプルに繰り返しさらすことができます。 Fido爆発物検出器は、新たな清浄な空気の流れを取り込み、ポリマーフィルム上を掃引して分析対象物を脱着させることで、ポリマーフィルムの蛍光強度を初期のベースライン読み取り値近くまで戻すことができます。^[10]

Fido爆発物検出器の発明は、1990年代後半の増幅蛍光ポリマー（AFP）の発明に大きく依存していました。当時、蛍光ポリマーを固体状態で使用することは、溶液中のポリマーと比較して感度と蛍光が大幅に低下したため困難でした。^[6] 1995年、マサチューセッツ工科大学（MIT）の化学者ティモシー・スワガーは、分子ワイヤアプローチを使用した感覚信号増幅の可能性を初めて実証しました。この技術は後にスワガーによって初めてAFPの開発に使用されました。^{[13] [14]その後まもなく、スワガーは、} DARPAの不発弾検出プログラム（より非公式にはドッグノーズプログラムとしても知られていました）の一環として、AFPを対地雷技術に組み込むための米国軍事研究助成金を獲得しました。彼はAFP技術をノマディックスにライセンス供与し、同社と協力して爆発物検出に使用できる蛍光ポリマーのプロトタイプを作成しました。^{[13] [14]}

Fido 爆発物検出器の初期プロトタイプの最初のフィールドテストは、1999 年にミズーリ州フォート レナード ウッドで実施されました。2001 年には、水中の微量の TNT を検出するために、Fido 爆発物検出器の派生型である SeaDog が開発されました。その後、SeaDog は、米国海軍研究局の海洋環境化学センシング (CSME) プログラムの一環として、自律型水中ビークル (AUV) に統合され、水中の爆発性煙のリアルタイム マッピングを初めて実証しました。2002 年、Nomadics は戦略環境研究開発プログラム (SERDP) から資金提供を受け、Fido 爆発物検出器を構成して、地下水の爆発物汚染を監視できるようにしました。^{[15]このシステムは}、米国陸軍研究所（ARL）や暗視・電子センサー局（NVESD）など、米国国防総省内のさまざまな組織によってさらに改良され、実地テストが行​​われた。^{[16] [17]}

ノマディクス社は、AFPを除くハードウェアのほとんどが市販の電子部品と光学部品で構成されているため、Fido爆発物検出器を低コストのシステムとして宣伝しました。ほとんどの蛍光消光爆発物センサーとは異なり、このデバイスは固体レーザーを必要とせず、熱安定性要件によって厳しく制限されていませんでした。^[12] 2003年、ノマディクス社は、Fido爆発物検出器に2要素アレイセンサーを組み込むと、センサー感度を損なうことなく、化学シグネチャー化合物と潜在的な化学干渉物質を区別するデバイスの能力を大幅に向上できる可能性があると判断しました。^[18]

2004年までに、陸軍研究局（ARO）からの資金援助により、充電式バッテリー1個で約6時間作動するFido爆発物検出器の小型ハンドヘルドプロトタイプが開発されました。このシステムの製造には、光電子増倍管を感度の低いフォトダイオードに置き換えるなど、より安価で頑丈な部品が使用されました。これらの変更によりノイズレベルが増加しましたが、研究者らはほとんどの用途ではそれほど問題にならないだろうと指摘しています。^[12]

2005年、スワガーと彼のチームは、ポンプ出力をレーザー照射に必要な閾値をわずかに超える程度に調整すると、レーザー照射が大幅に減衰し、システムがレーザー照射閾値付近で動作しているときにFido爆発物検知センサーの感度が30倍に増加することを発見した。^[19]同年、ノマディックス社はFido XT爆発物検知器として知られるデバイスの新バージョンを販売した。このデバイスは、爆発性化合物の痕跡を収集するサンプリングヘッドをデバイスの残りの部分から分離できるテザー付き延長部を特徴としていた。^{[15] [20]} XTバリアントには、デバイスが1リットルの空気をサンプリングするのにかかるのと同じ時間で1000リットルの空気をサンプリングできるプレコンセントレータも組み込まれていた。この新しい追加機能により、デバイスはセンサーを汚染された物体に物理的に接触させることなく蒸気の発生源を検出できるようになった。^[21]

開発が続く間、Fido爆発物探知機は、危険な環境やアクセスが困難な場所で爆発性蒸気の痕跡を探知するため、米軍によって数多くの改造が施され、様々なタイプのプラットフォームに搭載された。^{[15]顕著な例の1つは、遠隔地から}即席爆発装置（IED）を探知するため、Fido爆発物探知機をロボットプラットフォームに統合する計画である。当初は当時の陸軍調達・兵站・技術次官（ASAALT）によって提案されたこのプロジェクトは、戦闘空間にいる兵士のために10の統合システムを製造することを約束した90日間の納品スケジュールの一環として、統合IED排除タスクフォース（JIEDDTF）によって先頭に立って行われた。熟慮の末、iRobotのPackBotがFido爆発物探知機のロボットプラットフォームとして選ばれた。^[22]しかし、コストと時間の制約により、提案された10台のプロトタイプユニットのうち、最終的に製造され、テストされ、アフガニスタンとイラクで配備されたのは半分だけでした。^{[22] [23]}配備されたプロトタイプはパフォーマンスを妨げる技術的な問題に遭遇しましたが、さまざまな陸軍研究所の科学者チームによる修理により、発生した問題の多くを解決することができました。^[22]その他の取り組みには、小型の無人ヘリコプタープラットフォームに検出器を搭載したNeural Robotics, Inc.のAutoCopterの開発や、フォスターミラーTALONと米海兵隊のDragon Runnerへの検出システムの統合が含まれていました。^{[15] [21] [24]}

2010年までに、1500台以上のFido爆発物探知機がアメリカ軍に配備され、米国議会はアメリカ軍の作戦用にさらに多くのFido爆発物探知機を製造するためにNomadicsに700万ドルの資金を提供した。^[25] 2011年、FLIR Systems（旧Nomadics）はFido XT爆発物探知機のアップグレード版であるFido NXTを商業的にリリースした。これは、より耐久性が高くモジュール化されたデバイスの新設計を特徴としていた。^[26]

フィド爆発物探知機のブラインドフィールドテストは、ミズーリ州フォートレナードウッドのDARPA施設で最初に行われ、訓練された犬の性能と比較してデバイスの性能を評価しました。試験中、地雷がテストフィールドに埋め込まれ、約50cm間隔で2つの旗が各テスト位置を示しました。地雷は本物のTMA5またはPMA1A地雷で、信管と起爆装置が取り外され、起爆装置を覆っている輸送用プラグも取り外されていました。3つの異なるチームが各テスト位置で埋設された地雷の探知を担当しました。1つはフィド爆発物探知機を使用し、他の2つは経験豊富な犬のチームで、1つは爆発物（爆弾）の探知を訓練され、もう1つは地雷の探知を訓練されました。^[27]

実地試験の結果によると、地雷探知の訓練を受けた犬チームは、爆発物探知の訓練を受けた犬チームよりも優れた成績を収めた。後者は、任務遂行の難しさから最終的に実地試験から撤退した。しかし、地雷発見の実地経験を持つ犬チームでさえ、現場の非常に暑く乾燥した気象条件のため、任務遂行に困難を極めた。対照的に、Fido 爆発物探知機を使用したチームは、経験豊富な地雷探知犬チームよりも概して優れた成績を収めた。プラスチックケース入り TMA5 地雷の探知に関しては、最高のセンサー性能は、89 パーセントの探知確率と 27 パーセントの誤報確率を示した。実地試験の結論として、DARPA は、Fido 爆発物探知機の性能が訓練を受けた犬と同等かそれ以上のレベルにあることを確認した。これは、電子「探知機」デバイスが、実地条件下で訓練を受けた犬に匹敵する地雷探知能力を示した初めてのケースである。^[27]

2001 年、陸軍通信電子司令部、暗視および電子センサー局の支援を受けた研究者らが、Fido 爆発物探知機の性能を MECHEM 爆発物および麻薬探知システム (MEDDS) の性能と比較するブラインド フィールド テストを実施しました。MEDDS は、爆発性蒸気の痕跡があるエリアかどうかも識別します。テストは、 2001 年 7 月から 2003 年 8 月にかけてクロアチアの Rakovo Polje テスト サイトで実施されました。フィールド テストの目的は、Fido 爆発物探知機を組み込むことで MEDDS 技術を改善できるかどうかを判断することでした。実験が行われたテスト フィールドには、地表から 10、15、または 20 cm の深さにランダムに散布された 8 個から 15 個の地雷 (PROM-1、TMA-1A、PMA-2、および PMA-3) が配置されていました。鉱山からどの程度まで微量の汚染物質を検出できるかを調べるために、主試験場に隣接して別の試験場が設けられた。実験期間中、フィールド試験の複数回のサンプリング試験が行われた。^[28]

研究の結果、数か月が経過し、現場の状況が劇的に変化したにもかかわらず、Fido 爆発物検出器と MEDDS の両方がテストサイトで爆発性蒸気を検出できたことが実証されました。しかし、2 つの検出器システムのサンプリング結果には、識別可能なパターンや相関関係はありませんでした。また、この研究では、爆発性関連化合物 (ERC) の痕跡は、主に分子拡散ではなく土壌中の水の動きによって運ばれることも判明しました。Fido 爆発物検出器の性能に関しては、2003 年 5 月の近接サンプリング中に、システムは 108 サンプルのうち 59 (55%) で陽性反応を示し、陽性反応の大部分は土壌のより深いところで見つかりました。これに対して、MEDDS は独自のチューブを使用してサンプルの 71% を検出し、Fido チューブを使用してサンプルの 83% を検出しました。^[28]

2001 年、Nomadics の研究者はアリゾナ州ユマ試験場でフィールド テストを実施し、Fido 爆発物検知センサーの土壌粒子と蒸気のみのサンプリング能力をテストしました。ユマ試験場のテスト サイトは、土壌が非常に乾燥した厳しい砂漠環境にあり、土壌水分移動による ERC の移動が制限されていました。テスト フィールドは 5 つのレーンに分かれており、各レーンは 100 個のセルに分割され、非常に細いロープでマークされていました。Fido 爆発物検知器を使用して、各レーンの各セルから採取したサンプルを分析し、非常に低い濃度の較正基準で埋設された地雷の位置を特定しました。ただし、検知器は地雷の痕跡を検出することには成功しましたが、レーン内の地雷の正確な位置をある程度の確実性を持って正確に特定することはできませんでした。研究者は、このデバイスの性能は、レーン内の地雷の密度が高いために地雷の化学的な痕跡が重なり合い、地雷の正確な位置を特定するのが困難になっているためであると結論付けました。しかし、Fido 爆発物探知機は、地雷の位置から離れた場所ではセンサーの反応が少なく、地雷の痕跡は地雷の中心からかなり離れた場所まで伝わるにもかかわらず、地雷の通路内ではセンサーの反応が頻繁に見られました。研究者らはまた、小雨が降った夜の後にセンサーの反応の強さが増すことも発見しました。この研究では、Fido 爆発物探知機は埋設された地雷の正確な位置を特定するのが難しいかもしれないが、地雷群の存在を検出するのには役立つかもしれないと結論づけています。^[10]

Fido 爆発物検出器は、3 つの方法のいずれかを使用してサンプルを収集できます。最も一般的な方法は、Fido センサーを使用して蒸気トレースを直接リアルタイムでサンプリングする方法です。この方法は、最も位置感度の高いデータを提供し、シグネチャの「ホット スポット」をより多く検出できます。このアプローチは、センサー入口のすぐ近くでサンプルを収集することに重点を置いているため、体積サンプリング レートが低くなります。蒸気シグネチャ内の ERC の濃度は、蒸気シグネチャを生成する汚染土壌の濃度よりも 5 ～ 6 桁低いため、この方法の成功は、サンプリング時の地雷原の状態に大きく依存します。好ましい条件には、暖かい気温、弱い風、湿った土壌条件、および蒸気濃度の増加や蒸気シグネチャの分散に役立つその他の要因が含まれます。この方法を使用した Fido 爆発物検出器の最高の記録されたパフォーマンスは、フォート レナード ウッドでの DARPA フィールド テスト中に発生しました。このデバイスは、100 パーセントの検出確率と 10 パーセントの誤報率を達成しました。^[10]

もう一つの可能​​なサンプリング方法は、静電土壌粒子コレクター（ESPC）の使用です。これは、2つの電極と空気ジェットを使用して地面から土壌粒子を取り除きます。外側の電極に付着した静電的に帯電した土壌サンプルは、サンプリングバイアルに取り除かれ、アセトンに抽出された後、ポータブルガスクロマトグラフを使用してFido爆発物検出器に送られます。このアプローチにより、ユーザーは直接サンプリング方法と比較して、はるかに広い領域から土壌サンプルを収集できます。3番目のサンプリング方法では、土壌粒子と蒸気サンプルの両方が、ERCを捕捉するように設計された吸着材料のベッドを通して大量の空気を吸い込み、収集されます。サンプルが収集されると、捕捉された分析対象物は溶媒に抽出され、ポータブルガスクロマトグラフを使用してFido爆発物検出器に送られます。このアプローチにより、広い領域から迅速にサンプルを収集できます。^[10]

Fido爆発物探知機の利便性にもかかわらず、訓練された探知犬は爆発物の最良の探知システムのままである。^[6]研究者らは、この装置は依然として比較的低い探知率（89パーセント）と比較的高い誤報率（27パーセント）という問題に直面していると指摘している。^[29]しかし、さまざまな現場テストから収集されたデータは、Fido爆発物探知機が訓練された探知犬に少なくとも匹敵するTNT探知能力を持っているという結論を裏付けている。さらに、この装置の支持者は、Fidoシステムにより、厳しい気象条件の極端な環境など、犬とハンドラーよりも機械の方が適した状況で爆発物を探知できると主張している。^[30]この装置はTNTだけでなく数種類の爆発物も探知でき、訓練に費用がかかり、さまざまな未知で制御できない要因によってパフォーマンスが左右される可能性がある訓練された犬よりも一貫性がある可能性がある。^{[6] [11] [31]}しかし、Fido爆発物検出器は周囲温度によっても阻害されるため、システムの公称動作温度は32℃です。^[32]

2000年代半ばまでに、Fido爆発物探知機は、携帯可能なハンドヘルドデバイスまたはロボットプラットフォームの付属品として、アフガニスタンとイラクの両国に配備されました。^{[7] [33]} Fido爆発物探知機は、イラクの反乱軍が使用する車載型即席爆発装置（VBIED）に対抗するための車両検査ツールとしても使用されました。 ^[34] 2017年、米国防代表部パキスタン事務所（ODRP）は、 1億2800万ドルの対IEDテロ対策の一環として、パキスタン軍に50台以上のFidoデバイスを提供しました。 ^[35]軍事分野以外では、Fido爆発物探知機は空港や建物のセキュリティツールとして組み込まれ、 2006年にワシントンDCモールで行われた7月4日の祝賀会では国立公園警察によって使用されました。^{[7] 2009年に}空港セキュリティ用のFidoシステムのバージョンが開始され、すぐに運輸保安局によって全国の少なくとも70の空港で一般的に使用されるようになりました。^[33]

2000年代初頭の発売以来、Fido爆発物検出器は数々の賞を受賞しています。携帯型システムは2005年に米陸軍から10大発明の1つに選ばれ、Fido爆発物検出器を内蔵したPackbotロボットプラットフォームは2006年に同賞を受賞しました。^{[36] [37]} 2007年、ティモシー・スワガーは蛍光ポリマーの増幅に関する研究で50万ドルのレメルソンMIT賞を受賞しました。 ^{[7] [38]}その後、2013年にアメリカ化学会創造的発明賞を受賞しました。 ^[39]

• 埋設地雷から放出される化学特性化合物を地上で感知するためのセンサー材料として新規蛍光ポリマーを使用する (2001)
• 化学兵器の高感度かつ選択的な検出のための反応性発色団（2004）
• 増幅蛍光共役ポリマーに基づく化学センサー (2007)

• Fido XT 爆発物探知機
• NNI 科学的成果 2009: 危険物質検出のための蛍光ポリマーの増幅
• バイオアナライトの増幅蛍光ポリマー検出