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《仿人机器人原理与实战》一1.1 反射弧生物学基础

简介: 本节书摘来华章计算机《仿人机器人原理与实战》一书中的第1章 ,第1.1节,作者布莱恩·伯杰伦(Bryan Bergeron) 托马斯B. 塔尔博特(Thomas B. Talbot) 王伟 魏洪兴 刘斐 译, 更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

本节书摘来华章计算机《仿人机器人原理与实战》一书中的第1章 ,第1.1节,作者布莱恩·伯杰伦(Bryan Bergeron) 托马斯B. 塔尔博特(Thomas B. Talbot) 王伟 魏洪兴 刘斐 译, 更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

1.1 反射弧生物学基础

当内部或外界事件发生时,体会反射过程似乎是一件困难的事,因为在某些事件发生之前,有些反射是没有被激活的。我们不妨援用下面的故事来解释这一过程。

1.1.1 猴子突袭

设想身处旧金山普雷西迪奥的你正漫步在桉树林中,此时,一只75磅的硕壮的猴子突然跳到你的背上。如果你姿势不错,那么你还能保持直立,然后把它从脖子上抓下来,在它戳你眼睛、咬你耳朵之前把它扔到地上。反之,如果此时你膝部弯曲,那么你会毫无悬念地摔倒在地,而猴子又将跳到你的胸口,没准儿你会因此呼吸困难,事情不太可能完美收场。
现在,我们一起设想,在遇袭的那一刻(即在意识到即将承受75磅附加重量之前),你的体内到底发生了哪些变化。由于剧烈的震动和摇晃,你的关节、脚底、肌肉、筋腱以及器官中无数的感受器被触发,从而产生了成千上万的反射。其中一些反射让腿部肌肉吸震以减小冲击,然后调动手臂和上身去躲避猴子,而不只是理性地保持身体平衡。

1.1.2 反射弧

为了更好地理解体内发生的变化,我们模拟身体内不同程度的反射,这些反射反映了从肌肉中蛋白质折叠结构的微小改变到总体行为改变的不同形态。我们首先从神经、肌肉和感受器的层面考虑反射是如何发生的,具体地说,是研究右腿股四头肌肉的单个肌肉纺锤体感受器,即伸缩感受器。当你伸展股四头肌时,纺锤体感受器就被触发,且感受器触发速度随肌肉伸展速度的加快而加快。
当猴子突然跳到你的背上时,股四头肌被迅速拉伸,导致伸缩感受器快速触发,同时发出的电化学脉冲流会沿着神经纤维到达脊髓。信号穿过间隙传播到第二神经纤维,然后通过另外一个突触到达股四头肌的肌肉纤维。最终,股四头肌收缩,使人得以支撑猴子的重量。在股四头肌以及全身肌肉中,类似的牵张反射可以通过很多纺锤体纤维和肌肉纤维实现。
连接肌肉中感受器和脊髓的弧线或路径穿过间隙,回到肌肉纤维,我们称之为反射弧(reflex arc)。图1-1呈现了牵张反射的组成原理,是一个简单的反射弧实例。注意,反射的一个基本特征是单向连接:从感受器单向到感觉纤维,再通过间隙或突触到达运动纤维,之后穿过肌肉神经结点最终传递到肌肉纤维。由肌肉纺锤体感受器传来的信号伴随肌肉的伸缩而改变,这也为牵张反射提供了反馈回路。

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当然,这只是突遇袭击时体内复杂反射过程的简化描述。除了股四头肌收缩,与股四头肌对立的肌肉,即大腿后部的腿筋也会有反射松弛,这样股四头肌无须克服腿筋来保持身体平衡。还有一种反射是基于肌腱的应力,它可以抑制过于迅猛的肌肉紧缩,从而避免撕扯连接肌肉和骨骼的肌腱。总而言之,多亏了我们体内数以千计的反射弧,你才幸运地躲过了猴子的袭击并且毫发无伤地活了下来。
感受器和与之相关的反射弧有不同的阈值。与数字电子系统类似,一旦感受器被触发,它会达到满振幅,脉冲流的速率可以反映感受器的激活程度。例如,如果是一只重约6盎司的小松鼠从远处向你飞来,而不再是一只75磅的胖猴子,那么被激活的纺锤体纤维感受器会相应地减少,同时发出低速率脉冲信号。最终,由于只有少量的肌肉纤维被轻微地激活,所以股四头肌会轻微收缩。
反射的另外一个特点是,它有一定的绝对不应期(absolute refractory period),或者说在触发后需要经过一定的时间才能再次触发(见图1-2)。我们可以把这一阶段认为是感受器重启期。

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在绝对不应期中,感受器对刺激是不敏感的。随后,反射呈现出一个相对不应期(relative refractory period)。如图1-2所示,在绝对不应期之后,感受器的不敏感程度呈指数形式减弱。

1.1.3 疼痛与折磨

假设第二种情景,这时你正在工作台上组装仿人机器人的腿部样机。当你伸手去拿线性驱动器时,手背不小心碰触到电烙铁尖端最热的部分。于是,你的局部皮肤温度上升,热疼痛感受器(即伤害感受器,nociceptor)发送脉冲流,沿着纤维到达脊髓。在几毫秒内,信号穿过反射弧,包括脊椎的突触,并通往手臂和手的肌肉纤维的运动纤维。于是,你的手会从烙铁的尖端退缩回来。如果反射作用足够迅速,那你的皮肤可能只是轻微红肿,可以继续工作并瞬间忘记这件小事。反之,如果你在闻到皮肤烤焦的味道之后才慢慢把手挪开,那么不仅会严重烧伤、感染,还会留下令人讨厌的疤痕。
假设这一情景的目的除了提醒你将注意力集中到眼下的工作上以外,更重要的是说明反射行为的速度远大于刻意行为的速度。刻意的控制行为可能涉及各种信号,它们在大脑中需要穿过成百上千的连接点或神经突触(neural synapse),而反射弧只涉及一对局部神经元,所以刻意控制行为要缓慢得多。比如,如果只有在昆虫或污垢碰到睫毛之后你才会下意识地眨眼睛,毫无疑问,你早就失明了。
让我们继续研究反射弧的典型原理示意图,如图1-3所示,其中包含以下几个组成部分:在前臂皮肤中的热伤害感受器,由感受器到脊髓的传入纤维,以及一段由脊髓到手臂肌肉运动传出纤维的连接,传出纤维的终点是手臂和手上的肌肉纤维。事实上,还存在来自大脑的第三种神经纤维,当它被激活时,能抑制(inhibit)反射弧的行为。虽然在电烙铁情景中,这种有意识的抑制行为并没有发生(除非你有某种严重的生理问题),但是当你拿着一杯煮沸的咖啡时,它就会抑制反射弧,从而阻止你本能地把咖啡洒在膝上。

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疼痛能很好地反映出身体的某些地方出现了问题,为了避免受伤,它也暗示你应该采取一些措施或者停止某种错误的行为。一些伤害感受器根据刺激的强度做出反应,反之,其他伤害感受器在外界刺激到达某一限度时,就由关闭状态转换为触发状态。
与反射弧相连接的疼痛感受器的触发源包括极端的温度、压力、声音以及光亮。当然,有时候也会发生另外一种情况:由于来自大脑的抑制连接,你可能会战胜某些疼痛反射—例如,虽然腿部酸疼,但你仍然能依靠信念坚持跑完马拉松。但是与此同时,你也会发现有些反射是不能被意识所控制的—例如,在一阵风袭来或瞬间被强光照射时,你还是会不可避免地眨眼睛。

1.1.4 化学增压器

神经系统本质上是一个电化学信号处理器,受到数百种化学物质的调节和影响。在谈及反射时,我们有必要研究一种化学物质—肾上腺素,它是在人体经历某些刺激后,由肾上腺释放的激素。肾上腺素的作用比较复杂,而且对不同器官的影响也大相径庭。不过,总体上来说,它能暂时增强肌肉收缩力并增强忍耐力。
我们把多突触和抑制性反射这两个部分补充到反射弧原理示意图中,这样就可以进一步模拟肾上腺素的作用(见图1-4)。一般电化学信号由大脑或感受器发出,最终传递到神经纤维,但肾上腺素与这些电化学信号不同,它不生成信号。事实上,它降低了触发感受器的阈值,而且当反射弧产生时,能最大限度地发挥肌肉的收缩潜能。我们用电子管或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)做比喻,肾上腺素的作用如同控制栅极,用来改变系统的有效增益(或损失)。

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为了研究肾上腺素在反射弧中的实际作用,让我们一起回顾猴子突袭的案例。如果你立刻把猴子扔到地上,并狂奔100码到达安全的地方,此时,当你回头看遇袭的地方时,才意识到只用了12秒就跑完全程—个人最好成绩。若考虑到你还穿着远足靴,这样的成绩的确相当不错。
你完全有能力达到这样优秀的成绩,因为分泌出的肾上腺素有效地增加了神经系统的压力,还影响了身体的其他机能,从心跳增加、血压上升到血液流动加快、肌肉营养增加。这种作用在短时间内是可行的,但是希望依靠肾上腺素长期维持爆发力是不可能的,你不仅会更迅猛地消耗体能,还会有中风、心脏病发作的风险。这两点同样适用于仿人机器人,在达到仿人机器人设计极限的状态下,它不能长时间、不间断地运行。

1.1.5 性格

或许你会对自己说:“等下,大概是生来如此,我一定不会逃跑,我会站着与猴子战斗到底!”这样的情况是可能存在的。选择战斗而不是逃跑反映出你的总体性格。分泌出的肾上腺素既可以支撑你跑到另一个山坡,也可以给你力量让你站着和猴子战斗到底。
关键在于反射与性格大体一致。例如,如果你是一名训练有素的士兵,那么在听到巨大响声或看到瞬间强光时,正常来说,你应立刻准备就绪并保持进攻姿势。反过来说,如果你是一名性格内敛的图书管理员,那么在发生险情时,你更有可能做出一些防守型姿势。当然,还存在一些例外情况,例如精神病院和监狱里就有数不清的反例。在设计仿人机器人时,如何设计它的性格是值得考虑的。对于这一部分,我们将在第2章进一步讲解。

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