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《仿人機器人原理與實戰》一1.1 反射弧生物學基礎
本節書摘來異步社區《仿人機器人原理與實戰》一書中的第1章 ，第1.1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。
1.1 反射弧生物學基礎
當內部或外界事件發生時，體會反射過程似乎是一件困難的事，因為在某些事件發生之前，有些反射是沒有被激活的。我們不妨援用下麵的故事來解釋這一過程。
1.1.1 猴子突襲
設想身處舊金山普雷西迪奧的你正漫步在桉樹林中，此時，一隻75磅的碩壯的猴子突然跳到你的背上。如果你姿勢不錯，那麼你還能保持直立，然後把它從脖子上抓下來，在它戳你眼睛、咬你耳朵之前把它扔到地上。反之，如果此時你膝部彎曲，那麼你會毫無懸念地摔倒在地，而猴子又將跳到你的胸口，沒準兒你會因此唿吸困難，事情不太可能完美收場。
現在，我們一起設想，在遇襲的那一刻（即在意識到即將承受75磅附加重量之前），你的體內到底發生了哪些變化。由於劇烈的震動和搖晃，你的關節、腳底、肌肉、筋腱以及器官中無數的感受器被觸發，從而產生了成千上萬的反射。其中一些反射讓腿部肌肉吸震以減小衝擊，然後調動手臂和上身去躲避猴子，而不隻是理性地保持身體平衡。
1.1.2 反射弧
為了更好地理解體內發生的變化，我們模擬身體內不同程度的反射，這些反射反映了從肌肉中蛋白質折疊結構的微小改變到總體行為改變的不同形態。我們首先從神經、肌肉和感受器的層麵考慮反射是如何發生的，具體地說，是研究右腿股四頭肌肉的單個肌肉紡錘體感受器，即伸縮感受器。當你伸展股四頭肌時，紡錘體感受器就被觸發，且感受器觸發速度隨肌肉伸展速度的加快而加快。
當猴子突然跳到你的背上時，股四頭肌被迅速拉伸，導致伸縮感受器快速觸發，同時發出的電化學脈衝流會沿著神經纖維到達脊髓。信號穿過間隙傳播到第二神經纖維，然後通過另外一個突觸到達股四頭肌的肌肉纖維。最終，股四頭肌收縮，使人得以支撐猴子的重量。在股四頭肌以及全身肌肉中，類似的牽張反射可以通過很多紡錘體纖維和肌肉纖維實現。
連接肌肉中感受器和脊髓的弧線或路徑穿過間隙，回到肌肉纖維，我們稱之為反射弧（reflex arc）。圖1-1呈現了牽張反射的組成原理，是一個簡單的反射弧實例。注意，反射的一個基本特征是單向連接：從感受器單向到感覺纖維，再通過間隙或突觸到達運動纖維，之後穿過肌肉神經結點最終傳遞到肌肉纖維。由肌肉紡錘體感受器傳來的信號伴隨肌肉的伸縮而改變，這也為牽張反射提供了反饋回路。
當然，這隻是突遇襲擊時體內複雜反射過程的簡化描述。除了股四頭肌收縮,與股四頭肌對立的肌肉，即大腿後部的腿筋也會有反射鬆弛，這樣股四頭肌無須克服腿筋來保持身體平衡。還有一種反射是基於肌腱的應力，它可以抑製過於迅勐的肌肉緊縮，從而避免撕扯連接肌肉和骨骼的肌腱。總而言之，多虧了我們體內數以千計的反射弧，你才幸運地躲過了猴子的襲擊並且毫發無傷地活了下來。
感受器和與之相關的反射弧有不同的閾值。與數字電子係統類似，一旦感受器被觸發，它會達到滿振幅，脈衝流的速率可以反映感受器的激活程度。例如，如果是一隻重約6盎司的小鬆鼠從遠處向你飛來，而不再是一隻75磅的胖猴子，那麼被激活的紡錘體纖維感受器會相應地減少，同時發出低速率脈衝信號。最終，由於隻有少量的肌肉纖維被輕微地激活，所以股四頭肌會輕微收縮。
反射的另外一個特點是，它有一定的絕對不應期（absolute refractory period），或者說在觸發後需要經過一定的時間才能再次觸發（見圖1-2）。我們可以把這一階段認為是感受器重啟期。
在絕對不應期中，感受器對刺激是不敏感的。隨後，反射呈現出一個相對不應期（relative refractory period）。如圖1-2所示，在絕對不應期之後，感受器的不敏感程度呈指數形式減弱。
1.1.3 疼痛與折磨
假設第二種情景，這時你正在工作台上組裝仿人機器人的腿部樣機。當你伸手去拿線性驅動器時，手背不小心碰觸到電烙鐵尖端最熱的部分。於是，你的局部皮膚溫度上升，熱疼痛感受器（即傷害感受器，nociceptor）發送脈衝流，沿著纖維到達脊髓。在幾毫秒內，信號穿過反射弧，包括脊椎的突觸，並通往手臂和手的肌肉纖維的運動纖維。於是，你的手會從烙鐵的尖端退縮回來。如果反射作用足夠迅速，那你的皮膚可能隻是輕微紅腫，可以繼續工作並瞬間忘記這件小事。反之，如果你在聞到皮膚烤焦的味道之後才慢慢把手挪開，那麼不僅會嚴重燒傷、感染，還會留下令人討厭的疤痕。
假設這一情景的目的除了提醒你將注意力集中到眼下的工作上以外，更重要的是說明反射行為的速度遠大於刻意行為的速度。刻意的控製行為可能涉及各種信號，它們在大腦中需要穿過成百上千的連接點或神經突觸（neural synapse），而反射弧隻涉及一對局部神經元，所以刻意控製行為要緩慢得多。比如，如果隻有在昆蟲或汙垢碰到睫毛之後你才會下意識地眨眼睛，毫無疑問，你早就失明了。
讓我們繼續研究反射弧的典型原理示意圖，如圖1-3所示，其中包含以下幾個組成部分：在前臂皮膚中的熱傷害感受器，由感受器到脊髓的傳入纖維，以及一段由脊髓到手臂肌肉運動傳出纖維的連接，傳出纖維的終點是手臂和手上的肌肉纖維。事實上，還存在來自大腦的第三種神經纖維，當它被激活時，能抑製（inhibit）反射弧的行為。雖然在電烙鐵情景中，這種有意識的抑製行為並沒有發生（除非你有某種嚴重的生理問題），但是當你拿著一杯煮沸的咖啡時，它就會抑製反射弧，從而阻止你本能地把咖啡灑在膝上。
疼痛能很好地反映出身體的某些地方出現了問題，為了避免受傷，它也暗示你應該采取一些措施或者停止某種錯誤的行為。一些傷害感受器根據刺激的強度做出反應，反之，其他傷害感受器在外界刺激到達某一限度時，就由關閉狀態轉換為觸發狀態。
與反射弧相連接的疼痛感受器的觸發源包括極端的溫度、壓力、聲音以及光亮。當然，有時候也會發生另外一種情況：由於來自大腦的抑製連接，你可能會戰勝某些疼痛反射—例如，雖然腿部酸疼，但你仍然能依靠信念堅持跑完馬拉鬆。但是與此同時，你也會發現有些反射是不能被意識所控製的—例如，在一陣風襲來或瞬間被強光照射時，你還是會不可避免地眨眼睛。
1.1.4 化學增壓器
神經係統本質上是一個電化學信號處理器，受到數百種化學物質的調節和影響。在談及反射時，我們有必要研究一種化學物質—腎上腺素，它是在人體經曆某些刺激後，由腎上腺釋放的激素。腎上腺素的作用比較複雜，而且對不同器官的影響也大相徑庭。不過，總體上來說，它能暫時增強肌肉收縮力並增強忍耐力。
我們把多突觸和抑製性反射這兩個部分補充到反射弧原理示意圖中，這樣就可以進一步模擬腎上腺素的作用（見圖1-4）。一般電化學信號由大腦或感受器發出，最終傳遞到神經纖維，但腎上腺素與這些電化學信號不同，它不生成信號。事實上，它降低了觸發感受器的閾值，而且當反射弧產生時，能最大限度地發揮肌肉的收縮潛能。我們用電子管或金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）做比喻，腎上腺素的作用如同控製柵極，用來改變係統的有效增益（或損失）。
為了研究腎上腺素在反射弧中的實際作用，讓我們一起回顧猴子突襲的案例。如果你立刻把猴子扔到地上，並狂奔100碼到達安全的地方，此時，當你回頭看遇襲的地方時，才意識到隻用了12秒就跑完全程—個人最好成績。若考慮到你還穿著遠足靴，這樣的成績的確相當不錯。
你完全有能力達到這樣優秀的成績，因為分泌出的腎上腺素有效地增加了神經係統的壓力，還影響了身體的其他機能，從心跳增加、血壓上升到血液流動加快、肌肉營養增加。這種作用在短時間內是可行的，但是希望依靠腎上腺素長期維持爆發力是不可能的，你不僅會更迅勐地消耗體能，還會有中風、心髒病發作的風險。這兩點同樣適用於仿人機器人，在達到仿人機器人設計極限的狀態下，它不能長時間、不間斷地運行。
1.1.5 性格
或許你會對自己說：“等下，大概是生來如此，我一定不會逃跑，我會站著與猴子戰鬥到底！”這樣的情況是可能存在的。選擇戰鬥而不是逃跑反映出你的總體性格。分泌出的腎上腺素既可以支撐你跑到另一個山坡，也可以給你力量讓你站著和猴子戰鬥到底。
關鍵在於反射與性格大體一致。例如，如果你是一名訓練有素的士兵，那麼在聽到巨大響聲或看到瞬間強光時，正常來說，你應立刻準備就緒並保持進攻姿勢。反過來說，如果你是一名性格內斂的圖書管理員，那麼在發生險情時，你更有可能做出一些防守型姿勢。當然，還存在一些例外情況，例如精神病院和監獄裏就有數不清的反例。在設計仿人機器人時，如何設計它的性格是值得考慮的。對於這一部分，我們將在第2章進一步講解。
最後更新：2017-06-21 09:32:02