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阿西莫夫最新科学指南
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到了英国）。在某一特定位置
或者有一个孔，或者没有孔。织机运转只需要一个片面上的“是非
－是－是－非……”之类的模式就可以了。
从那以后，专为模仿人类思想而设计的越来越复杂的装置中
都采用更精妙的方法处理是－非模式。想从一种简单的是－非模式
得到复杂的、类似人类的结果似乎是十分可笑的。但是事实上这
样做的数学基础早在
17世纪就已得到了证明。在那以前，人们已
经为算术计算机械化以及为找到人脑活动的辅助装置而做了几千
年的尝试。
第十七章 头 脑
第十七章 头 脑
算术计算
用于算术计算的最早的工具一定要数人的手指了。当人们使
用他们自己的手指来表示数字和数的组合时，就揭开了数学的历
史。英语“digit”一词，即有手指（或脚趾）的意思，也有整数的意
思，这一点并非巧合。
从那以后，再进一步就出现了用其他物体（可能是卵石）代替
手指做计算的情况。卵石比手指多，而且在解题的过程中，用卵石
还可以保存中间结果，以便将来参考。因而，英语计算一词来自拉
丁语的“卵石”，这也不是巧合。
把卵石或珠子排在槽中或串在绳子上，就形成了算盘，它是第
一种真正具有多种用途的数学工具（图
17…5）。有了它就可以很
容易地表示�