El detector de explosivos Fido es un dispositivo sensorial portátil alimentado por batería que utiliza materiales de polímero fluorescente amplificador (AFP) para detectar niveles traza de explosivos altos como el trinitrotolueno (TNT) . [1] [2] Fue desarrollado por Nomadics, una subsidiaria de ICX Technologies (ahora propiedad de FLIR Systems ), a principios de la década de 2000 como parte del programa Dog's Nose de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) . [3] [4] El detector de explosivos Fido se considera la primera nariz artificial capaz de detectar minas terrestres en el mundo real. [5] El dispositivo recibió su nombre por su capacidad para detectar vapores explosivos en concentraciones de partes por cuatrillón (1 en 10^15), que es comparable a la sensibilidad de la nariz de un perro detector de bombas , es decir, el "estándar de oro" histórico para encontrar explosivos ocultos. [6] [7] [8]
El detector de explosivos Fido funciona como un detector de trazas de explosivos mediante el uso de una película de polímero fluorescente especialmente fabricada que es extremadamente sensible a las moléculas de TNT, que se pueden encontrar en más del 85 por ciento de las minas terrestres desplegadas. [9] [10]
La película delgada consta de muchas cadenas repetidas de polímeros fluorescentes amplificadores que emiten naturalmente luz visible cuando se exponen a rayos ultravioleta . La fluorescencia es el resultado de electrones en estado excitado (es decir, excitones ) que viajan por la cadena principal del polímero y entre cadenas de polímero adyacentes al absorber un fotón de luz. Sin embargo, las reacciones de fluorescencia se extinguen en el momento en que una molécula deficiente en electrones como TNT se une al polímero y atrapa el excitón migratorio en el sitio de unión. [10] [11] Una sola molécula de TNT es capaz de disminuir la fluorescencia de cadenas de polímero completas en la película delgada, amplificando así el efecto de un solo evento de unión de TNT que puede pasar por alto la detección de sensores moleculares menos sensibles. El diseño de la película delgada permite que las moléculas de TNT se unan en cualquier lugar a lo largo de la cadena de polímero , lo que aumenta drásticamente el número de oportunidades para que ocurra el evento de unión de TNT. [7] Los polímeros fluorescentes amplificadores utilizados en el detector de explosivos Fido fueron diseñados para responder preferentemente a explosivos nitroaromáticos . Se cree que la unión de las moléculas de TNT se debe a una interacción de tipo electrostático entre el polímero y el analito de interés. La selectividad también se puede mejorar sintetizando estructuras en el polímero que sean imágenes especulares electrostáticas de los analitos de interés deseados. Según los informes, hay evidencia de que los polímeros pueden amplificar la extinción de las reacciones de fluorescencia entre 100 y 1000 veces en comparación con los mecanismos de extinción convencionales. [10]
La película de polímero fluorescente recubre la superficie interior de los diminutos tubos de vidrio que el detector de explosivos Fido utiliza para aspirar aire. Un diodo emisor de luz (LED) azul en el interior del detector sirve para excitar los electrones fluorescentes del polímero , y los tubos fotomultiplicadores del detector amplifican y leen la longitud de onda de la luz emitida para discernir si la luz producida por la película de polímero se ha atenuado. [5] [10] [12] El detector de explosivos Fido proporciona un análisis casi instantáneo y en tiempo real del aire muestreado al registrar la intensidad de los tubos fotomultiplicadores, que es inversamente proporcional a la masa de analito que se une a las películas de polímero. Las películas de polímero se pueden exponer repetidamente a las muestras debido a la naturaleza reversible de la unión de los analitos a la película. El detector de explosivos Fido puede devolver la intensidad de fluorescencia de las películas de polímero a cerca de la lectura de referencia inicial al aspirar un nuevo flujo de aire limpio para barrer la película de polímero y desorber el analito. [10]
La invención del detector de explosivos Fido se basó en gran medida en la invención del polímero fluorescente amplificador (AFP) a finales de los años 1990. En ese momento, el uso de polímeros fluorescentes en su estado sólido era difícil debido a su sensibilidad y fluorescencia significativamente reducidas en comparación con los polímeros en solución. [6] En 1995, el químico Timothy Swager del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) fue el primero en demostrar la posibilidad de amplificación de señales sensoriales utilizando el enfoque del cable molecular . Esta técnica fue utilizada posteriormente por Swager para desarrollar AFP por primera vez. [13] [14] Poco después, Swager recibió una subvención de investigación militar de EE. UU. para incorporar AFP a la tecnología antiminas como parte del Programa de detección de municiones sin explotar de DARPA , que también se conocía de manera más informal como el programa Dog's Nose. Licenció la tecnología AFP a Nomadics y trabajó con la empresa para crear un prototipo de los polímeros fluorescentes que podrían usarse para la detección de explosivos. [13] [14]
Las primeras pruebas de campo de los primeros prototipos del detector de explosivos Fido se llevaron a cabo en 1999 en Fort Leonard Wood, MO. En 2001, se desarrolló una variante del detector de explosivos Fido conocida como SeaDog para detectar trazas de TNT bajo el agua. Luego, el SeaDog se integró en un vehículo submarino autónomo (AUV) como parte del programa Chemical Sensing in the Marine Environment (CSME) de la Oficina de Investigación Naval de la Marina de los EE. UU., convirtiéndose en el primero en demostrar el mapeo de una columna explosiva bajo el agua en tiempo real. En 2002, Nomadics recibió financiación del Programa de Investigación y Desarrollo Ambiental Estratégico (SERDP) para configurar el detector de explosivos Fido de modo que pudiera usarse para monitorear la contaminación por explosivos de las aguas subterráneas. [15] El sistema fue modificado y probado en campo por diferentes organizaciones dentro del Departamento de Defensa de los EE. UU. , incluido el Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. (ARL) y la Dirección de Visión Nocturna y Sensores Electrónicos (NVESD) . [16] [17]
El detector de explosivos Fido fue promocionado por Nomadics como un sistema de bajo costo ya que la mayor parte del hardware, aparte del AFP, consiste en componentes electrónicos y ópticos comerciales listos para usar (COTS) . A diferencia de la mayoría de los sensores de explosivos de extinción de fluorescencia, el dispositivo no requería láseres de estado sólido y no estaba tan restringido por requisitos de estabilidad térmica . [12] En 2003, Nomadics determinó que la incorporación de un sensor de matriz de dos elementos en el detector de explosivos Fido tenía el potencial de mejorar en gran medida la capacidad del dispositivo para discriminar compuestos de firma química de posibles interferencias químicas sin ninguna pérdida en la sensibilidad del sensor. [18]
En 2004, la financiación de la Oficina de Investigación del Ejército (ARO) permitió desarrollar un prototipo portátil en miniatura del detector de explosivos Fido, capaz de funcionar durante unas seis horas con una sola batería recargable . La producción de este sistema se realizó con componentes más baratos y resistentes, como la sustitución del fotomultiplicador por un fotodiodo menos sensible . Estos cambios dieron como resultado un aumento del nivel de ruido que, según señalan los investigadores, probablemente no sería significativo para la mayoría de las aplicaciones. [12]
En 2005, Swager y su equipo descubrieron que ajustar la potencia de la bomba justo por encima del umbral requerido para la emisión láser atenúa significativamente la emisión láser, lo que da como resultado un aumento de treinta veces en la sensibilidad de los sensores del detector de explosivos Fido cuando el sistema funciona cerca del umbral láser. [19] En el mismo año, Nomadics comercializó una nueva versión del dispositivo conocida como Detector de Explosivos Fido XT, que presentaba una extensión atada que permitía que el cabezal de muestreo que recogía los rastros de compuestos explosivos se separara del resto del dispositivo. [15] [20] La variante XT también incorporaba un preconcentrador que permitía al dispositivo muestrear 1000 litros de aire al mismo tiempo que le tomaría al dispositivo muestrear 1 litro de aire sin la mejora. Esta nueva adición hizo posible que el dispositivo detectara la fuente del vapor sin que el sensor entrara en contacto físico con el elemento contaminado. [21]
A lo largo de su desarrollo continuo, el detector de explosivos Fido sufrió numerosas modificaciones por parte del ejército de los EE. UU. para ser montado en varios tipos de plataformas con el fin de detectar rastros de vapores explosivos en entornos peligrosos y áreas de difícil acceso. [15] Un ejemplo destacado fue el plan para integrar el detector de explosivos Fido en plataformas robóticas para detectar de forma remota dispositivos explosivos improvisados (IED) . Inicialmente propuesto por el entonces Secretario Adjunto del Ejército para Adquisiciones, Logística y Tecnología (ASAALT) , el proyecto fue encabezado por la Fuerza de Tarea Conjunta para Derrotar IED (JIEDDTF) como parte de un cronograma de entrega de 90 días que prometía producir diez sistemas integrados para soldados en espacios de combate. Después de mucha deliberación, el PackBot de iRobot fue seleccionado como la plataforma robótica para el detector de explosivos Fido. [22] Sin embargo, debido a los desafíos con las restricciones de costo y tiempo, solo la mitad de las diez unidades prototipo propuestas finalmente se produjeron, probaron y utilizaron en Afganistán e Irak . [22] [23] Si bien los prototipos utilizados encontraron problemas técnicos que obstaculizaron el rendimiento, las reparaciones realizadas por equipos de científicos de diferentes laboratorios del Ejército pudieron resolver gran parte de los problemas que surgieron. [22] Otros esfuerzos incluyeron el desarrollo del AutoCopter de Neural Robotics, Inc., que tenía el detector montado en una pequeña plataforma de helicóptero no tripulado, así como la integración del sistema de detección en el Foster-Miller TALON y el Dragon Runner del Cuerpo de Marines de EE. UU . [15] [21] [24]
En 2010, se habían entregado más de 1500 detectores de explosivos Fido a soldados estadounidenses, y el Congreso de Estados Unidos proporcionó 7 millones de dólares en financiación a Nomadics para fabricar más detectores de explosivos Fido para operaciones militares estadounidenses. [25] En 2011, FLIR Systems (anteriormente Nomadics) lanzó comercialmente una actualización del detector de explosivos Fido XT llamado Fido NXT, que presentaba un nuevo diseño para que el dispositivo fuera más duradero y modular. [26]
Las pruebas de campo a ciegas del detector de explosivos Fido se llevaron a cabo primero en una instalación de DARPA en Ft. Leonard Wood, Missouri, con el fin de evaluar el rendimiento del dispositivo en comparación con el de los perros entrenados. Durante la prueba, se colocaron minas terrestres en el campo de prueba con dos banderas separadas aproximadamente 50 cm para indicar la ubicación de cada posición de prueba. Las minas terrestres eran auténticas minas terrestres TMA5 o PMA1A con las espoletas y los detonadores retirados junto con los tapones de envío que cubrían el detonador. Se encargó a tres equipos diferentes detectar las minas terrestres enterradas en cada posición de prueba. Uno utilizó el detector de explosivos Fido y los otros dos fueron equipos experimentados de perros, uno entrenado para detectar explosivos (es decir, bombas) y el otro entrenado para detectar minas terrestres. [27]
Según los resultados de las pruebas de campo, el equipo canino entrenado para detectar minas terrestres tuvo un mejor desempeño que el equipo canino entrenado para detectar explosivos. Este último finalmente se retiró de las pruebas de campo debido a la inmensa dificultad para completar la tarea. Sin embargo, incluso el equipo canino con experiencia en el mundo real en la búsqueda de minas terrestres enfrentó dificultades para realizar la tarea debido a las condiciones climáticas muy cálidas y secas en el campo. En contraste, el equipo que utilizó el detector de explosivos Fido en general tuvo un mejor desempeño que el equipo canino experimentado en la detección de minas terrestres. En términos de detección de minas terrestres TMA5 con carcasa de plástico, el mejor desempeño del sensor demostró una probabilidad de detección del 89 por ciento con una probabilidad de falsa alarma del 27 por ciento. Al concluir las pruebas de campo, DARPA verificó que el desempeño del detector de explosivos Fido estaba a un nivel igual o mejor que el de los caninos entrenados, lo que marca la primera vez que un dispositivo electrónico "rastreador" demostró una capacidad de detección de minas terrestres comparable a la de los caninos entrenados en condiciones de campo. [27]
En 2001, investigadores patrocinados por el Comando de Electrónica de Comunicaciones del Ejército, Dirección de Visión Nocturna y Sensores Electrónicos realizaron una prueba de campo a ciegas para comparar el rendimiento del detector de explosivos Fido con el del Sistema de Detección de Explosivos y Drogas (MEDDS) de MECHEM, que también detectó si una zona contenía o no rastros de vapor explosivo. Las pruebas se realizaron en el sitio de pruebas de Rakovo Polje en Croacia desde julio de 2001 hasta agosto de 2003. El propósito de las pruebas de campo era determinar si la tecnología MEDDS podía mejorarse con la incorporación del detector de explosivos Fido. El campo de pruebas en el que se llevó a cabo el experimento contó con 8 a 15 minas terrestres individuales (PROM-1, TMA-1A, PMA-2 y PMA-3) distribuidas aleatoriamente a 10, 15 o 20 cm debajo de la superficie. Se estableció un campo de pruebas separado adyacente al campo de pruebas principal para determinar hasta qué punto se podían detectar los niveles de contaminación traza de una mina. Se realizaron múltiples ensayos de muestreo de la prueba de campo durante la duración del experimento. [28]
Los resultados del estudio demostraron que tanto el detector de explosivos Fido como el MEDDS pudieron detectar vapor explosivo en el lugar de la prueba incluso cuando pasaron los meses y las condiciones del campo cambiaron drásticamente. Sin embargo, no hubo patrones discernibles ni correlación alguna entre los resultados de muestreo de los dos sistemas de detección. El estudio también encontró que los rastros de compuestos relacionados con explosivos (ERC) se transportan en gran medida a través del movimiento del agua en el suelo en lugar de por difusión molecular . En lo que respecta al rendimiento del detector de explosivos Fido, el sistema encontró 59 positivos de 108 muestras (55 por ciento) y la mayoría de los positivos se ubicaron a mayor profundidad en el suelo durante el muestreo de proximidad de mayo de 2003. En comparación, el MEDDS encontró el 71 por ciento de las muestras utilizando sus propios tubos y el 83 por ciento de las muestras utilizando los tubos Fido. [28]
En 2001, los investigadores de Nomadics realizaron pruebas de campo en Yuma Proving Ground , Arizona, para probar la capacidad de los sensores del detector de explosivos Fido para realizar muestreos de partículas y vapor de suelo únicamente. El sitio de prueba en Yuma Proving Ground estaba situado en un duro entorno desértico con suelo extremadamente seco, lo que reducía el transporte de ERC a través del movimiento del agua del suelo. El campo de prueba estaba organizado en cinco carriles, cada uno de los cuales estaba dividido en 100 celdas marcadas con una cuerda muy ligera. El detector de explosivos Fido se utilizó para analizar muestras tomadas de cada celda en cada carril con el fin de determinar la ubicación de las minas enterradas bajo estándares de calibración de concentración muy baja. Sin embargo, si bien el detector tuvo éxito en la detección de las firmas de las minas, no pudo señalar con precisión la ubicación exacta de las minas en los carriles con algún grado de certeza. Los investigadores concluyeron que el rendimiento del dispositivo se debía a la alta densidad de minas en los carriles, lo que hacía que las firmas químicas de las minas se superpusieran entre sí, lo que dificultaba la ubicación exacta de las minas. Sin embargo, el detector de explosivos Fido produjo menos respuestas de los sensores en áreas alejadas de las minas, mientras que las respuestas de los sensores dentro de las pistas de la mina fueron frecuentes a pesar del hecho de que las señales de la mina pueden viajar significativamente lejos del centro de la misma. Los investigadores también descubrieron que la intensidad de las respuestas de los sensores aumentó después de una noche de lluvia ligera. El estudio concluyó que, si bien el detector de explosivos Fido puede tener dificultades para identificar la ubicación exacta de las minas terrestres enterradas, puede ser útil para detectar la presencia de grupos de minas. [10]
El detector de explosivos Fido puede recolectar muestras utilizando uno de tres métodos. El método más común es el muestreo directo en tiempo real de los rastros de vapor utilizando el sensor Fido, que tiende a proporcionar los datos más sensibles a la posición y permite una mayor detección de los "puntos calientes" característicos. Este enfoque se centra en la recolección de muestras en las inmediaciones de la entrada del sensor y, por lo tanto, presenta una baja tasa de muestreo volumétrico. Debido a que la concentración de ERC en la firma de vapor es de cinco a seis órdenes de magnitud menor que la del suelo contaminado que produce la firma de vapor, el éxito de este método depende en gran medida de la condición del campo minado en el momento del muestreo. Las condiciones favorables incluyen temperaturas cálidas, vientos suaves, condiciones de suelo húmedo y cualquier otro factor que ayude a aumentar la concentración de vapor o dispersar la firma de vapor. El mejor desempeño registrado del detector de explosivos Fido utilizando este método ocurrió durante la prueba de campo de DARPA en Ft. Leonard Wood, donde el dispositivo logró una probabilidad de detección del 100 por ciento con una tasa de falsas alarmas del 10 por ciento . [10]
Otro método de muestreo posible es el uso de un colector electrostático de partículas de suelo (ESPC), que utiliza dos electrodos y un chorro de aire para desalojar las partículas de suelo del suelo. Las muestras de suelo cargadas electrostáticamente que se adhieren al electrodo exterior se desalojan luego en un vial de muestreo y se extraen en acetona antes de presentarlas al detector de explosivos Fido utilizando un cromatógrafo de gases portátil . Este enfoque permite a los usuarios recolectar muestras de suelo de un área mucho más grande en comparación con el método de muestreo directo. Para el tercer método de muestreo, tanto las partículas de suelo como las muestras de vapor se recolectan atrayendo grandes volúmenes de aire a través de un lecho de material adsorbente diseñado para atrapar ERC. Una vez que se recolecta la muestra, los analitos atrapados se extraen en solvente y se presentan al detector de explosivos Fido utilizando un cromatógrafo de gases portátil. Este enfoque tiende a permitir una rápida recolección de muestras de áreas grandes. [10]
A pesar de la comodidad del detector de explosivos Fido, los perros rastreadores entrenados siguen siendo el mejor sistema de detección de explosivos disponible. [6] Los investigadores han observado que el dispositivo aún enfrenta problemas con una tasa de detección relativamente baja (89 por ciento) y una tasa de falsas alarmas relativamente alta (27 por ciento). [29] Sin embargo, los datos recopilados de varias pruebas de campo respaldan la conclusión de que el detector de explosivos Fido posee capacidades de detección de TNT al menos comparables a las de un perro rastreador entrenado. Además, los defensores del dispositivo han argumentado que el sistema Fido permite la detección de explosivos en situaciones más adecuadas para máquinas que con un perro y un adiestrador, como en entornos extremos con duras condiciones climáticas. [30] El dispositivo también puede detectar varios tipos diferentes de explosivos además de TNT y puede ser más consistente que un perro entrenado, que puede ser costoso de entrenar y cuyo rendimiento puede verse afectado por una variedad de factores desconocidos e incontrolables. [6] [11] [31] Sin embargo, el detector de explosivos Fido también se ve inhibido por la temperatura ambiente , de modo que la temperatura nominal de funcionamiento del sistema es de 32 grados Celsius. [32]
A mediados de la década de 2000, el detector de explosivos Fido se implementó tanto en Afganistán como en Irak como un dispositivo portátil de mano o un accesorio para una plataforma robótica. [7] [33] El detector de explosivos Fido también se utilizó como una herramienta para la inspección de vehículos en un esfuerzo por combatir los dispositivos explosivos improvisados transportados en vehículos (VBIED) utilizados por los insurgentes en Irak. [34] En 2017, la Oficina del Representante de Defensa de los EE. UU. - Pakistán (ODRP) proporcionó más de 50 dispositivos Fido al Ejército de Pakistán como parte de una iniciativa antiterrorista de $ 128 millones. [35] Fuera del ámbito militar, el detector de explosivos Fido se incorporó como una herramienta para la seguridad de aeropuertos y edificios e incluso fue utilizado por la Policía de Parques Nacionales durante la celebración del 4 de julio de 2006 en el Washington DC Mall . [7] En 2009, se lanzó una versión del sistema Fido para la seguridad aeroportuaria y pronto se convirtió en algo común para la Administración de Seguridad del Transporte en al menos 70 aeropuertos en todo el país. [33]
El detector de explosivos Fido ha sido reconocido con múltiples premios desde su creación a principios de la década de 2000. La versión portátil del sistema fue nombrada una de las diez mejores invenciones por el Ejército de los EE. UU. en 2005, y la plataforma robótica Packbot con el detector de explosivos Fido integrado recibió el mismo premio en 2006. [36] [37] En 2007, Timothy Swager ganó el premio Lemelson-MIT de $500,000 por su trabajo en la amplificación de polímeros fluorescentes. [7] [38] Más tarde ganó el premio de la Sociedad Química Estadounidense a la Invención Creativa en 2013. [39]
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