第一篇路线图
第1章生命机器概述
智人（Homo sapiens）通过使用工具、利用自然原理发展技术，逐步掌控了大自然并超越自身进化遗传特征，昀终发展形成了人类文明。现代工业化社会的生活质量与我们先祖的生存条件相去甚远，我们已经进入到一个新的阶段，人类自己已经成为全球变化的主要推动力，现在处于被学界公认为非常独*的地质时代——人类世（Anthropocene）。但人类追求更好的健康状况、更长的预期寿命、更繁荣的发展、无处不在的用户友好型设备以及不断扩大的对自然界的控制权，在个人、社会、经济、城市、环境和技术等多个领域产生了众多挑战。全球化、人口迁移、自动化和数字生活的兴起，以及资源枯竭、气候变化、收入不平等和涉及自主武器的武装冲突，都在造成前所未有的危险。
对于古希腊哲学先贤，如苏格拉底、亚里士多德和伊壁鸠鲁，主要的问题是如何找到“幸福”（eudaemonia）或“美好生活”。今天我们面临着同样的问题，但面对的是一个技术先进、快速变革、超级互联的世界。我们还面临着一个悖论——我们通过科学和工程实现的繁荣之中，存在着威胁我们生活质量的危险。在19世纪和20世纪初，技术进步似乎自然而然地会使人类生活质量普遍提高，但现在这种关系已经不再那么明显。因此，我们如何确保人类继续繁荣？答案必须包括对支持我们的生态系统予以更多的考虑和尊重，科学技术的未来发展也将发挥关键作用。
正如本书所展示的，自然与人工之间的差距正在缩小。除了我们已经注意到的压力之外，人类正面临着一个更加陌生和前所未有的未来——不仅人造物会变得越来越自主，我们也可能正在过渡到一个后人类或生物混合（biohybrid）的时代，在这个时代中，我们逐渐与自己创造的技术融合在一起。
当朝着这个未来前进时，我们相信有必要回顾和重新考虑我们是如何发展、利用不断创建的人造物并与它们相互关联的，这将有助于确定人类正在成为什么。我们采用的具体方法是以生物学为依据的。我们寻求向自然世界学习创建可持续系统来支持和改善生活的方法，并认为这是一种使技术更好地与人类兼容的方法。
这些方法也是会聚、融合的，包括科学、技术、人文和艺术，希望通过这些方法来应对和解决不断发展变化的具象的物理学问题与抽象的形而上学问题，并通过这类研究来让我们能反向了解人类面临的问题。
我们将这一领域称为“生命机器”（living machines），因为我们认为统一系统科学可以帮助我们既了解人类自身的生物特性，也了解我们所制造的物体的人工特性。在这一过程中，我们有意摒弃了笛卡儿的二元论，因为二元论观点将思想与身体、人类与动物、有机体与人造物割裂开来，人类自身在进化过程中进化出了生物感知的丰富性，这种丰富性使我们能够通过科学技术更好地了解自己。
一、生命机器的机遇
现代技术的发展距离全面认识和实现生命系统的多功能性、鲁棒性和可靠性还有很大的差距。尽管在材料科学、机械电子学、机器人学、人工智能、神经科学和相关领域已经取得了巨大进展，但我们仍然无法构建出能与昆虫相类似的系统。这有很多原因，但其中有两个基本和内在的限制昀为突出。一方面，人造物在自主处理真实世界方面仍然非常有限，特别是当这个世界到处都是其他各种智能体时；另一方面，我们在扩展和集成底层组件技术方面仍然面临着根本的挑战。在本书中，解决这两个瓶颈的方法是将自然系统在无数不同现实世界情境中运行和维持的复杂能力，转化为工程科学的基本原则。大自然是我们所知道的具有可持续性、适应性、可扩展性和鲁棒性基本原则的唯一例子。利用这些原则将创建一种全新的技术类别，具有可更新性、适应性、鲁棒性、自我修复性、潜在的社会性和道德性，甚至可能具有意识（Prescott et al.，2014；Verschure，2013）。这就是生命机器的王国。
在生命机器领域，我们区分了两类实体：仿生系统（biomimetic systems）——利用自然界中发现的原理并体现在新的人造物中，以及生物混合系统（biohybrid systems）——将生物实体与人工实体以丰富而密切的相互作用结合起来，从而形成新型生物——人工混合实体。
仿生学和人类文明一样古老。公元前4世纪，希腊哲学家塔伦托的阿尔希塔斯（Archytas of Tarentum）建造了一个木制自走式飞行器，它由蒸汽驱动，结构上类似于一只鸟（图1.1a）。随着历史的发展，我们可以发现模拟飞行的重要转变，从模仿自然过程的形态，如鸟类翅膀的形状和运动，转变为发现飞行升力和阻力的原理，这帮助莱特兄弟制造出了人类历史上的第一个飞行器（图1.1b）。因此，从仿生学领域学习到了一个重要的经验教训，即超越生物系统的外在表现，理解并重新运用它们所体现的根本原理。现今，我们通过了解对产生准确的飞行升力和推力平衡至关重要的鸟类设计原理，能够较为准确地模拟鸟类的有翼飞行（见Hedenstr.m，第32章），Festo公司的智能鸟（图1.1c）就是一个很好的例子（见Send，第46章）。
仿生学研究正在蓬勃发展，昀有前景的领域包括系统设计与结构、自组织和协同性、生物启发活性材料、自组装和自修复、学习、记忆、控制架构与自我调节、运动和移动、感觉系统、感知、认知、控制和交流。这些领域仍在不断扩大，本书第二至第四篇中将进行深入探讨。在所有这些领域中，仿生系统提供了比我们现有技术更有效、适应性更强和更强大的潜力，并且通过构建各种不同的仿生装置和类动物机器人而得到证实（见第五篇）。
