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《仿人機器人原理與實戰》一3.1 動態平衡生物學基礎
本節書摘來異步社區《仿人機器人原理與實戰》一書中的第3章 ，第3.1節，作者布萊恩·伯傑倫（Bryan Bergeron） 托馬斯B. 塔爾博特（Thomas B. Talbot） 王偉 魏洪興 劉斐 譯, 更多章節內容可以訪問雲棲社區“異步社區”公眾號查看。
3.1 動態平衡生物學基礎
對人類來說，動態平衡關乎生存問題。我們體內每時每刻都流動著數以百計的離子、數以千計的蛋白質和數以萬計其他具有生物活性的分子。從宏觀角度來看，這種明顯的混沌現象是可以觀察到的，比如心率、唿吸節拍、體表溫度以及皮膚與器官間相對供血量的變化。溫度調節處在整個動態平衡係統的最頂層。如果沒有溫度控製，那麼其他任何生理現象都會停止。
3.1.1 月球的黑暗麵
科幻電影的場景總是身著宇航服的英雄在無人居住的飛船或者月球上，而且僅剩幾個小時的空氣可用。因此人們常常議論英雄是死於缺氧好還是死於二氧化碳中毒好。其實，這個勇敢的探險者將會死於體溫過低，且遠早於儲氣罐和二氧化碳洗滌器失效。當外麵的溫度約為零下幾百度的時候，保持宇航服溫暖需要消耗非常多的能量。
如果加熱係統失靈，那麼我們的大英雄會怎麼樣呢？剛開始，他會顫抖，並伴隨快速的唿吸和心跳，通常還會有強烈的小便欲望和神誌模煳。在特殊構造的宇航服中發生這些組合症狀的後果將非常嚴重。
隨著身體溫度降低，顫抖會更加厲害，而且很難完成精細操作，比如打開新發現的儲氣罐的閥門。行走也會變得非常困難。溫暖的血液將不會流向四肢、嘴唇、耳朵、手指，舌頭將會發青、變冷並失去知覺。這個時候是救生船出現的最佳時機，否則就來不及讓宇航員複蘇了。
如果沒有最後一分鍾營救，我們的宇航員將會隨著溫度的進一步降低而休眠。唿吸變慢且變得困難，心跳變慢，心律不齊，並導致不正常的低血壓，大腦等器官開始衰竭。在這種致命的情況下，宇航員應該脫掉宇航服或者尋找某個角落暫避。
顯然，這不是一個令人高興的結局。然而，這些情節概括了一些有關身體維持熱動態平衡的機理。首先，生理活動增強，比如顫抖、心率增加和唿吸頻率加快，身體的新陳代謝加快。隨著身體中心溫度進一步降低，產生熱量的顫抖加劇，暖血停留在身體中心以遠離寒冷。接下來，生命係統將會崩潰，器官衰竭，死亡不可避免。
3.1.2 溫度調節
聽聞了上麵這個“有溫度”的故事，讓我們回顧一下最基本的知識。當一個成年人坐在普通的醫生辦公室，室內溫度為72華氏度，伴隨著空氣中難聞的藥水味，他的核心體溫大約是（98.4±1）華氏度（（37.0±0.6）攝氏度）。飯後、做完運動和發燒時，核心體溫將會增加1～2度；快速跳入遊泳池則會降低1度左右。核心體溫在午後達到極高值，剛睡醒時為極低值。
核心體溫，顧名思義，就是身體中心部位的溫度，相對於手指或者耳垂處的溫度而言。從身體中心到四肢，溫度會逐漸下降，並且跟年齡、身高、活力水平和性別等因素有關。比如，生理學上正確的女性仿人機器人的腳都會冰冷，這與外界溫度無關。
如果將溫度計直接插入某人的大腦或者肝髒，便可以測量他的核心體溫，這就是為什麼這些部位的溫度可以確定死亡時間。如果知道外界溫度和核心體溫，就可以確定溫度下降的速度，從而確定死亡時間，當然要假定外界溫度較低且死亡時間較近。口腔和直腸溫度測量沒有這種作用，也不是精確測量核心體溫的方法。
溫度調節是人類活下來的關鍵，因為我們的生理機能隻能在一個相當窄的溫度範圍內正常工作。比如，在寒冷天氣下，肌肉不能正常收縮和舒張。你可能在飛機墜海的事故中活下來，但是如果海麵剛好有浮冰，那麼在你的肌肉失去彈性和血液變稠後的幾分鍾內，你的心跳就會逐漸停止，甚至感覺不到鯊魚的撕咬。
假設另一種情況，你被困在冰災中，身上連一件夾克衫也沒有，那麼冰晶會在你的腦細胞、眼睛、肌肉和皮膚上形成，你將失明且不能行動。這正好是身體休克的最佳時機，特別是在順風方向剛好有一群餓狼的情況下。細胞中形成的結晶就像凍瘡一樣，這是凍肉不如鮮肉口感那麼好的原因，也是星際航行中導致低溫保存食物問題的原因。
發高燒可能是致命的，就跟被鎖在豔陽高照的停車場的小汽車內卻打不開窗戶一樣。如果你曾經利用鋁箔在汽車儀表盤上煎過雞蛋—“儀表盤熟食”—那麼你一定知道用不了多少熱量就可煎好雞蛋或者讓芝士融化。蛋白質會在高於106華氏度（41攝氏度）的條件下變性。對某些蛋白質來說，變性是可逆的，但是大多數（例如蛋清）是不可逆的。蛋白質永久變性可以解釋在發高燒後，你會感到丟失了數以千計的神經和一些IQ值。
我們發現皮膚上的冷傳感器比熱傳感器多出10倍。相反，大腦中的溫度傳感器作為下丘腦的一部分，對中心部位的熱量極其敏感。從生存的角度來看，這是有意義的。當暴露在寒冷中時，我們維持核心體溫的基本動態平衡機理開始生效，並減少流向皮膚和四肢的血流量。
減少體表的血液流量帶來的問題是可以暫時保持體溫不下降，但是手腳卻容易凍傷。在今天看來，凍瘡並不要緊，但是如果缺乏醫療手段，凍傷在最好的情況下會結疤，在最壞情況下腐敗或腐爛的組織則會感染和腫大。除了不美觀和難聞外，死亡和變質的組織會孳生細菌，擴散進入血液並導致死亡。
過度的熱量引發的極端問題會少一些。在休息時，身體的大部分熱量通過輻射和傳導方式散失。如果通風條件良好，通過對流方式散失的熱量也會非常顯著。隻有在環境溫度低於體溫時，這三種散熱機製才會起作用，假設床罩裏麵的溫度已經是110華氏度了，那又會怎麼樣呢？
這時候我們就開始流汗了。當下丘腦的某個部分感受到核心體溫升高後，就會開啟蒸發冷卻係統。不僅皮膚上的汗毛孔會打開，而且皮膚表層的血管會擴張，使得溫度高的血液從內髒流向皮膚層，從而導致熱量快速散失。同時，會抑製顫抖和其他產生熱量的機製。
核心體溫上升時，我們的中央調節出汗反應才會發生，但這是不完美的。例如，在濕度非常大的環境中，我們會停止出汗。另外，隻要擁有足夠的涼水供應，每小時出汗2～3升是沒有問題的。但是，如果過度脫水，出汗機製就會關閉，四肢溫度會快速升到環境溫度，一旦核心體溫上升到106華氏度，大腦中的蛋白質就會如同熱煎鍋中的蛋清一樣。
3.1.3 負反饋
溫度調節係統如同身體中的其他控製係統一樣，是基於負反饋的。如果你熟悉運算放大器和鎖相環，那麼圖3-1看起來就會非常熟悉。如圖所示，身體中的新陳代謝係統產生熱量，影響身體的核心體溫。下丘腦中的傳感器對超過設定值的核心體溫做出反應，通過係統負反饋將溫度調回設定值。流汗、皮膚中血液循環加快、肌肉和器官中的血液循環減慢以及伸出舌頭等行為都是負反饋反應，以便散失熱量和降低核心體溫。
從圖3-1中可以看出，新陳代謝升高體溫，激活下丘腦中的溫度傳感器，然後反向調節新陳代謝。例如，當下丘腦抑製顫抖時，核心體溫會下降。
在討論負反饋係統時，增益是一個非常有用的概念，因為這是判斷係統維持動態平衡能力的參數之一。對熱平衡來說，增益可以表述為
增益 =（環境的溫度變化/身體核心體溫的變化）– 1
例如，假設外界溫度變化25華氏度，引起身體核心體溫變化1華氏度，那麼係統的增益是
（25°/1°）–1 = 24
下丘腦設定的溫度不一定總是98.4或者98.6華氏度，可能會被皮膚溫度等變量影響。如果核心體溫低於正常值，但是體表溫度傳感器顯示外界溫度較高，那麼導致顫抖的溫度設定值就會降低。相反，如果體表溫度傳感器顯示外界溫度較低，那麼導致顫抖的溫度設定值就會上升。從某種程度上看，體表溫度傳感器建立了一個早期的預警係統，稍早於核心器官對環境做出反應。例如，如果你跳進一條涼爽的溪流中降溫，那麼出汗就是在浪費能量了，即使你的核心體溫稍微偏高一點兒。類似地，當你回到溫暖的家中，顫抖也是在浪費能量。由此可見，體表溫度傳感器是核心體溫的預報器。
熱平衡的行為案例是很重要的，比如天冷時尋找避寒處，或者天熱時跳進冷水中降低體溫，類似於穿上厚外套的這類行為要優於無意識的生理學動態平衡機製。
最後更新：2017-06-21 11:01:45