Fido爆発物探知機
Fido XTポータブル爆発物探知機

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）のドッグノーズ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、 10の15乗分の1（10の15乗分の1）の濃度の爆発性蒸気を検出でき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]

概要

ファイド爆発物検出器は、設置された地雷の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]

この薄膜は、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、蛍光反応は消光します。[10] [11] TNT分子1つで、薄膜内のポリマー鎖全体の蛍光を減少させることができるため、TNT結合イベント1回の影響を増幅し、感度の低い分子センサーの検出を回避できます。この薄膜の設計により、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えます。[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相互作用によって引き起こされると考えられている。また、所望の標的分析物の静電鏡像となる構造をポリマーに合成することで、選択性を向上させることも可能である。報告によると、これらのポリマーは、従来の消光機構と比較して、蛍光反応の消光を100倍から1000倍増幅できることが示唆されている。[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塗布されています。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減光したかどうかを判別します。[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。分析対象物がフィルムに結合する性質は可逆的であるため、ポリマーフィルムは繰り返しサンプルに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吸い込んでポリマーフィルム上を掃引し、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測定値近くまで戻すことができます。[10]

歴史

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、固体状態の蛍光ポリマーは溶液状態のポリマーに比べて感度と蛍光が大幅に低下していたため、使用が困難でした。[6] 1995年に、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てセンサー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す）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技術のライセンスをノマディックスに供与し、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するために同社と協力しました。[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TNTを検知するために、Fido爆発物検出器の派生型であるSeaDogが開発されました。SeaDogはその後、米国海軍研究局の海洋環境化学物質センシング（CSME）プログラムの一環として、自律型潜水艇（AUV）に搭載され、水中の爆発性プルームのリアルタイムマッピングを初めて実証しました。2002年には、Nomadics社は戦略環境研究開発プログラム（SERDP）の資金提供を受け、Fido爆発物検出器を地下水の爆発性汚染監視に使用できるように改良しました。[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、実地試験が行われた。[16] [17]

ノマディクス社は、AFPを除くハードウェアの大部分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システムとして宣伝しました。多くの蛍光消光式爆発物センサーとは異なり、この装置は固体レーザーを必要とせず、熱安定性要件による制約もそれほど厳しくありませんでした。 [12] 2003年、ノマディクス社は、Fido爆発物検出器に2素子アレイセンサーを組み込むことで、センサー感度を損なうことなく、化学特性化合物と潜在的な化学干渉物質を区別する能力を大幅に向上させることができると判断しました。[18]

2004年までに、陸軍研究局（ARO）からの資金提供により、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。このプロトタイプは、充電式バッテリー1個で約6時間動作可能です。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、より安価で堅牢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、レーザー発振に必要な閾値をわずかに超える程度までポンプ出力を調整すると、レーザー発光が大幅に減衰し、システムがレーザー発振閾値付近で動作している際にFido爆発物検知センサーの感度が30倍に向上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新バージョンの機器を発売した。この機器は、爆発性化合物の痕跡を収集するサンプリングヘッドを機器の残りの部分から分離できるテザー付き延長部を備えていた。[15] [20] XTバージョンには、予備濃縮器も組み込まれており、機器は1リットルの空気をサンプリングするのにかかる時間と同じ時間で1000リットルの空気をサンプリングできる。この新機能により、センサーが汚染物質に物理的に接触することなく、蒸気の発生源を検出することが可能になった。[21]

開発が続く間、Fido爆発物探知機はアメリカ軍によって数多くの改造が施され、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できるように様々な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）を探知するために、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だった。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、戦闘空間の兵士向けに10個の統合システムを生産するという90日間の納入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）が先頭に立っていた。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などの問題により、提案された10台のプロトタイプユニットのうち、最終的に半分のみが製造され、テストされ、アフガニスタンとイラクに配備されました。[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、異なる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、およびFoster-Miller 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Nomadics社に700万ドルの資金を提供し、アメリカ軍の作戦用にFido爆発物探知機をさらに製造できるようにした。[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。この製品は、より耐久性が高くモジュール化された新しい設計を特徴としていた。[26]

テスト

フォート・レナード・ウッド

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施設で初めて実施され、訓練を受けた探知犬との比較による性能評価が行われた。試験中、試験場には地雷が埋設され、各試験地点の位置を示す2本の旗が約50cm間隔で立てられた。地雷は本物のTMA5またはPMA1A地雷で、信管と起爆装置、そして起爆装置を覆う輸送用プラグが取り外されていた。3つの異なるチームが各試験地点に埋設された地雷の探知を任された。1つのチームはフィド爆発物探知機を使用し、他の2つのチームは経験豊富な探知犬チームで構成された。1チームは爆発物（爆弾）探知の訓練を受け、もう1チームは地雷探知の訓練を受けた。[27]

実地試験の結果によると、地雷探知訓練を受けた犬チームは、爆発物探知訓練を受けた犬チームよりも優れた成績を収めました。爆発物探知訓練を受けた犬チームは、任務遂行の難しさから最終的に実地試験から撤退しました。しかし、地雷探知の実地経験を持つ犬チームでさえ、現場の非常に高温で乾燥した気象条件のために任務遂行に困難を伴いました。一方、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ね優れた成績を収めました。プラスチックケース入りTMA5地雷の探知においては、最高のセンサー性能で89%の探知確率と27%の誤報確率を示しました。実地試験の終了時に、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であることを確認しました。これは、電子式「探知機」が実地条件下で訓練を受けた犬と同等の地雷探知能力を示した初めての事例となりました。[27]

ラコヴォ・ポリェ

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と、同様に爆発性蒸気の痕跡があるエリアかどうかを判別できる MECHEM 爆発物および麻薬探知システム (MEDDS) の性能を比較するブラインド フィールド テストを実施しました。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 技術を向上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分布する 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汚染物質を検出できるかを調べるため、主要試験圃場に隣接して別の試験圃場が設けられた。試験期間中、圃場試験の複数回のサンプリング試験が行われた。[28]

調査の結果、数ヶ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爆発物検知器とMEDDSはどちらも試験現場で爆発性蒸気を検知できたことが実証された。しかし、両検知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見られなかった。また、この調査では、微量の爆発性関連化合物（ERC）は、分子拡散ではなく土壌中の水の動きによって主に輸送されることも判明した。Fido爆発物検知器の性能に関しては、2003年5月の近接サンプリングにおいて、システムは108サンプル中59サンプル（55%）で陽性反応を示し、陽性反応の大部分は土壌深部で検出された。これに対し、MEDDSは独自のチューブを用いたサンプルでは71%、Fidoチューブを用いたサンプルでは83%の陽性反応を示した。[28]

ユマ試験場

2001年、ノマディクス社の研究者たちは、アリゾナ州ユマ試験場でフィールドテストを実施し、フィド爆発物検知センサーの土壌粒子および蒸気のみのサンプリング能力を検証しました。ユマ試験場のテスト現場は、土壌が非常に乾燥した過酷な砂漠環境にあり、土壌水分の移動による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、各レーンは非常に細いロープで区切られた100個のセルに分割されていました。フィド爆発物検知器は、各レーンの各セルから採取したサンプルを分析し、非常に低濃度の校正基準を用いて埋設された地雷の位置を特定するために使用されました。しかし、検知器は地雷の痕跡を検出することには成功したものの、レーン内の地雷の正確な位置を確度を持って特定することはできませんでした。研究者たちは、この装置の性能は、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であることに起因す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反応が少なく、地雷の痕跡は地雷の中心からかなり遠くまで到達する可能性があるにもかかわらず、地雷のレーン内ではセンサー反応が頻繁に発生しました。研究者らはまた、小雨が降った夜間の後、センサー反応の強度が増加することを発見しました。この研究は、Fido爆発物探知機は埋設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有用である可能性があると結論付けています。[10]

仕様

Fido XT爆発物探知機の仕様
サイズ 9.8インチ x 4.8インチ x 2インチ
重さ 700g（電池含む）
バッテリー リチウムイオン
バッテリー寿命 4時間
電源 100 - 250V、50 - 60 Hz
メモリ 256MB
検出可能な爆発性物質 ニトロ芳香族化合物
感度 TNTの場合1フェムトグラム（1 x 10^-15 g）
分析時間 5秒
結果の発表 棒グラフ表示、オーディオ信号、外部コンピュータへの接続
安全性の問題 先端が適度に熱くなる（90℃）

パフォーマンス

Fido爆発物検知器は、3つの方法のいずれかでサンプルを採取できます。最も一般的な方法は、Fidoセンサーを用いて蒸気痕跡を直接リアルタイムで採取する方法です。この方法は、位置感度の高いデータを提供し、特徴的な「ホットスポット」をより正確に検出できます。この方法は、センサー入口のすぐ近くでのサンプル採取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。蒸気痕跡中のERC濃度は、蒸気痕跡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。好ましい条件としては、温暖な気温、弱い風、湿った土壌、その他蒸気濃度を高めたり蒸気痕跡を拡散させたりする要因が挙げられます。この方法を用いたFido爆発物検知器の最高記録は、フォート・レナード・ウッドにおけるDARPAのフィールドテストで記録され、誤報率10%で100%の検知確率を達成しました。[10]

もう一つのサンプリング方法としては、静電土壌粒子コレクター（ESPC）の使用があります。これは、2つの電極とエアジェットを用いて土壌粒子を地面から剥離するものです。静電的に帯電した土壌サンプルは外側の電極に付着し、サンプリングバイアルに集められ、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用いてFido爆発物検出器に送られます。この方法により、直接サンプリング法と比較して、はるかに広い範囲から土壌サンプルを採取することができます。3つ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を、ERCを捕捉するように設計された吸着材の層を通して大量の空気を吸引することで採取します。サンプルが採取されると、捕捉された分析対象物質は溶媒に抽出され、ポータブルガスクロマトグラフを用いてFido爆発物検出器に送られます。この方法は、広い範囲から迅速にサンプルを採取できる傾向があります。[10]

Fido爆発物探知機の利便性にもかかわらず、訓練された探知犬が爆発物探知システムとして現在最も優れている。[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%）と比較的高い誤報率（27%）という問題に直面していると指摘している。[29]しかし、様々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限環境など、犬とハンドラーよりも機械の方が適した状況での爆発物探知が可能になると主張している。[30]この装置はTNTだけでなく数種類の異なる爆発物も探知でき、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のある訓練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]

アプリケーション

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式即席爆発装置（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年に、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]軍事領域以外では、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D.C.モールで行われた7月4日の祝賀行事では国立公園警察によっても使用されました。[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少なくとも70の空港で広く使用されるようになりました。[33]

受賞歴

Fido爆発物探知機は、2000年代初頭の発売以来、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大発明の一つに選ばれ、Fido爆発物探知機を搭載したPackbotロボットプラットフォームも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、賞金50万ドルのレメルソンMIT賞を受賞しました。 [7] [38]彼はその後、2013年にアメリカ化学会創造的発明賞を受賞しました。[39]

さらに読む

  • 埋設地雷から放出される化学シグネチャー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年）
  • 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）
  • 増幅型蛍光共役ポリマーに基づく化学センサー（2007）

参考文献

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