阿西莫夫最新科学指南-下 [美]-第66部分
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（这些功能是经过几十亿年进化，通过无数次试探才发展出来的）。
这种研究叫做仿生学，美国工程师斯蒂尔 1960年创造了这个词
（英语仿生学一词是由生物学和电子学两词的各一部分缩合而成
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的，但实际上仿生学的领域远远超出了这二者的范围）。
作为仿生学研究的一个例子，让我们来看看海豚皮的构造。
如果海豚周围的涡流与和它一样大小的船只周围的涡流一样强，
那么它就需要
2。6马力的功率才能达到它平常的游速。由于某种
原因，水在流过海豚周围时不起涡流，所以海豚只消耗很小的功率
就能克服水的阻力。这好像是由于海豚皮的性质造成的。如果我
们能使船只外壁达到这种效果，则可以提高远洋轮船的航速并同
时减少其燃料消耗。
还有，美国生物物理学家莱特温将微小的铂电极插入青蛙的
视神经以详细地研究其视网膜。他发现，视网膜并不是将一大堆
乱七八糟的亮点和暗点直接送给脑子，让脑子承担全部的解释工
作。视网膜上有五种不同的细胞，每种都有独特的功能。一种细
胞专门对边缘起反应，也就是对亮度的大幅度变化比较敏感（比如
一棵树的背景是天空，在它的轮廓线两侧就有很大的明暗差异）。
第二种细胞对暗而弯曲的物体起反应（蛙捕食的昆虫）。第三种细
胞对快速移动的物体起反应（应该迅速避开的危险动物）。第四种
细胞对逐渐变暗的光线起反应，而第五种则对池塘水的蓝色起反
应。换句话说，从视网膜发往脑部的信息已经经过了相当程度的
分析。如果在人造的传感器中用上青蛙视网膜的窍门，那么这些
传感器就会在灵敏度和用途方面超出现在的水平。
但是，如果我们真的准备建造一部能模仿某种生物机构的机
器，那么最吸引人的莫过于去模仿那最令我们着迷的独特机
构——人脑了。
人脑并不仅仅是一部机器，这一点是可以肯定的。另一方面，
即使人脑这个肯定是我们所知的最复杂的物体或现象，也有某些
方面让我们在某种程度上想到机器。而这种相似可能是很重要
的。
第十七章 头 脑
第十七章 头 脑
这样，如果我们分析一下是什么使人的头脑和其他头脑有所
不同（更不用说与无脑物体之间的差异了），我们可能会产生这样
一个想法，即比起任何其他物体，不论是活的还是无生命的，人脑
更明确地是一个自调节系统。它不但能控制自身，而且能控制它
周围的环境。它并不是靠退让的方法对付环境的变化，而是根据
它自己的需要和标准做出反应。让我们看看一部机器在这种能力
方面能够接近人脑到什么程度。
最简单的自调节机械设备大约要算受控阀门了。早在公元
50年，亚历山大的海洛就设计了几种简陋的受控阀，并在一个装
置中使用了这样一个阀门来自动分送液体。在
1679年，帕潘发明
了一个高压锅，就是一个最基本的安全阀的例子。为了使锅盖不
被蒸汽压力掀开，他在盖子上放了一个重物，但他选择的重量恰到
好处，使锅里压力还没大到足以使锅爆炸时就能把盖子顶开。今
天家用高压锅为达到这一目的使用了许多更复杂的装置（比如一
个当温度太高时会熔化的塞子），但是基本原理还是一样的。
反馈
当然，这是一种一次性的调节。但是也不难找到连续调节的
例子。一个名叫李的英国人发明了一种简单的连续调节装置，并
于
1745年获得专利。他的这种装置能使风车总是保持正对着风
来的方向。他设计了一个带小叶片的尾扇；如果风向转移，就会吹
动尾扇；尾扇叶片的转动会带动一系列齿轮传动装置，并使风车本
身改变方向，直到风车的主叶板转到正对着新的风向。在这个位
置，尾扇的叶片不会转动，只有当风车本体没有对正风向时才会转
动。
但是，现代机械自调节器的原型还得数瓦特为他的蒸汽机发
明的离心调速器（见图
17…4）。
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图 17…4瓦特的调速器
为了使蒸汽发动机排出的蒸汽保持平稳，瓦特构想出了一个
装置，它包括一根垂直的轴，轴上横向以铰接的方式联着两根金属
棒，每根棒的端部装有一个重锤，重锤可以上下移动。蒸汽压力使
垂直轴旋转，压力上升则转速提高，于是离心力使重锤上升。重锤
上升使一个阀门部分关闭，使蒸汽流动变慢，随着蒸汽压力的下
降，轴的转速也下降，重力使重锤向下移动，从而使阀门打开。这
样，离心调速器就能使轴的转速以及输出的功率维持在一个固定
的水平上。如果转速或功率偏离这一水平，就会引起一连串动作
并最终导致改正这种偏离。这就叫反馈：误差本身不断送回信息；
并且，所需的修正量的大小是由误差大小所决定的。
恒温器是我们所熟悉的一种反馈装置。荷兰发明家德雷贝尔
在 17世纪早期首先使用了原始的恒温器。1830年，苏格兰化学
家尤尔发明了一种更复杂的恒温器的原理，按这种原理制作的恒
温器至今仍在使用。这种恒温器的基本部件是面对面焊在一起的
两条不同的金属。由于两种金属在温度发生变化时膨胀和收缩率
不同，这种金属条部件会弯曲。假定把恒温器定在 70℉，当室温
第十七章 头 脑
第十七章 头 脑
降到这个温度以下时，温差电偶会向某一方向弯曲，使电路导通并
打开供暖系统；如果室温超过
70℉，温差电偶会向相反方向弯曲
并使电路断开。这样，供暖设备通过反馈调节自己的工作状态。
人体的活动也以同样的方式受到反馈的控制。这方面例子很
多，比如血液中葡萄糖的浓度是由分泌胰岛素的胰腺控制的，就像
屋子里的温度由供暖设备控制一样。而且，正如供暖设备的运转
受温度相对于标准值的偏移量的控制一样，胰岛素的分泌也是决
定于血液中葡萄糖浓度偏离标准的多少。如果葡萄糖浓度过高，
胰腺就会开始分泌胰岛素，就像过低的室温会打开供暖设备一样。
恒温器的设定温度可以向上调，而人体内部的某种变化，如肾上腺
素的分泌，同样也能将人体活动的标准值提高。
美国生理学家
W。 B。坎农将生物体为维持某一不变的标准值
所进行的自调节称做内环境稳定。在
20世纪的最初几十年中，
W。 B。坎农是研究这种现象的一位先驱者。
生命系统中的反馈过程和机器中的反馈基本上是一样的，一
般也没有人用另外的名词来描述这种现象。在讲到寻求有意识地
控制自主神经功能时用到“生物反馈”一词，这是为了方便而人为
引入的区别。
大部分系统，不论是有生命的还是无生命的，在对反馈做出反
应时都会有短时间的滞后。例如，在供暖系统关上以后，还会继续
辐射出一段时间的余热；在另一方面，在打开后也要过一会儿才会
热起来。因而室温并不是维持在
70℉，而是在这一水平上下摆
动；它总是从上到下或从下到上越过这一指标。
英国皇家天文学家爱里在
19世纪
30年代首先研究了这种叫
做摆动的现象。当时他设计了一些能随着地球转动自动调整望远
镜方向的装置，他对摆动的探索就是针对这些装置进行的。
从血液中葡萄糖浓度的控制到有意识的行为，大多数生命过
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程都具有摆动的特点。当你伸手去拿一件东西时，手的运动并不
是单一的动作，而是一连串不断调整速度和方向的动作。由眼判
断是否偏离正确路线，再由肌肉做出对这种偏离的修正。由于这
种修正的自动性很高，所以你感觉不到是在这样做。但是试看一
个还不熟悉视觉反馈的婴儿想要拾取某物的情形：由于肌肉的修
正不够准确，孩子往往不是手伸过了头就是没有伸到地方。一些
由于神经受到损伤致使运用视觉反馈的能力受到干扰的患者，在
试图做出协调的肌肉运动时总会陷入可怜的震颤中。
正常而熟练的手能平稳地伸向目标，并在恰到好处时停下，这
是因为控制中心能够提前对情况做出估计并做出修正。当你驾车
拐弯时，在还没完全转过弯道时你就会开始放开方向盘，这样，转
过弯道以后车轮就会朝向正前方了。换句说，及时的修正可以防
止动作过头。
有证据表明，小脑的主要功能就是管理这种通过反馈调整运
动的工作。它会估计未来的情况并预测手臂在一瞬间之后的位
置，进而根据这些来安排动作。在你站着的时候，小脑使你躯干的
各大块肌肉的张力处在不断变化之中，以保持你身体的平衡。站
着而什么也不做是一件艰苦的工作；我们都知道仅仅站着不动有
多么疲劳。
这一原理也能应用在机器上。可以这样安排：当系统接近所
期望的状态时，实际状态和期望状态间的差距越来越小，这种不断
缩小的差距会自动在系统冲过期望状态前切断修正。在
1868年，
法国工程师法尔科利用这一原理发明了一种蒸汽动力船舵的自动
控制装置。当船舵靠近预定位置时，这种装置会自动关小蒸汽阀，
船舵达到预定位置时，蒸汽压力已经被切断了。如果船舵偏离指
定位置，它的运动就会打开一个适当的阀门，这样蒸汽压力就会把
舵推回去。法尔科称他的这种装置为伺服机构，从某种意义上说
第十七章 头 脑
第十七章 头 脑
这种装置开创了自动化的纪元（自动化这个术语是美国工程师迪
博尔德在
1951年首先使用的）。
早期的自动化
会模仿人类的预见力和判断力的机械装置，不论这种模仿是
多么的粗糙，一旦发明出来总会引发一些人的想象力。他们会因
此而考虑是否可能造出某种大体上能完全模仿人类活动的装
置——一部自动机。神话和传说中充满了这类东西。
神话和传说中只有神仙和魔法师才会制造这种东西，而普通
的人开始掌握这种技艺是和中世纪时钟表业的逐渐发展分不开
的。随着钟表结构日趋复杂，时钟机构（指运用错综相联的齿轮使
某一装置按正确顺序并在恰当的时间做出某种运动的机构）也在
发展。有了时钟机构，就有可能制造出能越来越接近模仿和生命
有关的行为的东西。
18世纪开始了自动机的黄金时代。有人为法国皇太子制造
了自动玩具兵；一位印度统治者还拥有一只六脚机械虎。
但是，这种皇家的玩艺儿很快就被商业冒险超过了。
1738
年，法国人沃康松制作了一只铜的机械鸭子。这鸭子会嘎嘎叫、洗
澡、饮水、吃谷物，还会做出消化、排泄所吃下的东西的样子。人们
花钱来看这只机器鸭子。它为主人挣了几年的钱，但没有能够存
留到现在。
后来出现的一部自动机被保存了下来，现存在瑞士纳沙泰尔
一家博物馆里。这是一个自动抄写员，是由雅克…德罗兹在
1774
年制作的。它的外形是一个男孩，这个孩子能用笔在墨水池中蘸
墨水并写下一封信。
当然，这类自动机都是一成不变的。它们只能做时钟机构所
指定的动作。
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然而，没过多久，自动性的原理就变得具有灵活性，其应用也
从欣赏物转到了有用的工作方面。
第一个重要的例子是由法国织布工雅卡尔发明的。他在
1801年设计出了一种叫提花机的织机。
在这种织机上，一般情况下针通过一块木头上的孔后将线交
错织起来。但是假设在针和孔之间放上了一张打了孔的卡片，那
么卡片上的孔会让针穿过去并照常进入木头。而在卡片上没有打
孔的地方，针不能通过。这样，有些地方会有交织，有些地方则没
有。
如果有不同的穿孔卡片，孔的安排有所区别，那么按某一特定
顺序将这些卡片插入机器，就会由能通过和不能通过的针脚上的
变化构成一种图案，通过适当地安排卡片，原则上可以相当自动地
形成任何图案。用现代术语来说，安排卡片就是给织机编程序。
其后，织机所做的事情看上去就像是出自它的本意，还像是艺术创
作。
提花机最重要的一点，就是它通过一种简单的“是或非”的二
分法获得了惊人的成功（到了
1812年，在法国已有
11 000台这种
织机，并且在拿破仑战争一结束就传�
