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3章 ，第3.1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。
3.1 动态平衡生物学基础
对人类来说，动态平衡关乎生存问题。我们体内每时每刻都流动着数以百计的离子、数以千计的蛋白质和数以万计其他具有生物活性的分子。从宏观角度来看，这种明显的混沌现象是可以观察到的，比如心率、呼吸节拍、体表温度以及皮肤与器官间相对供血量的变化。温度调节处在整个动态平衡系统的最顶层。如果没有温度控制，那么其他任何生理现象都会停止。
3.1.1 月球的黑暗面
科幻电影的场景总是身着宇航服的英雄在无人居住的飞船或者月球上，而且仅剩几个小时的空气可用。因此人们常常议论英雄是死于缺氧好还是死于二氧化碳中毒好。其实，这个勇敢的探险者将会死于体温过低，且远早于储气罐和二氧化碳洗涤器失效。当外面的温度约为零下几百度的时候，保持宇航服温暖需要消耗非常多的能量。
如果加热系统失灵，那么我们的大英雄会怎么样呢？刚开始，他会颤抖，并伴随快速的呼吸和心跳，通常还会有强烈的小便欲望和神志模糊。在特殊构造的宇航服中发生这些组合症状的后果将非常严重。
随着身体温度降低，颤抖会更加厉害，而且很难完成精细操作，比如打开新发现的储气罐的阀门。行走也会变得非常困难。温暖的血液将不会流向四肢、嘴唇、耳朵、手指，舌头将会发青、变冷并失去知觉。这个时候是救生船出现的最佳时机，否则就来不及让宇航员复苏了。
如果没有最后一分钟营救，我们的宇航员将会随着温度的进一步降低而休眠。呼吸变慢且变得困难，心跳变慢，心律不齐，并导致不正常的低血压，大脑等器官开始衰竭。在这种致命的情况下，宇航员应该脱掉宇航服或者寻找某个角落暂避。
显然，这不是一个令人高兴的结局。然而，这些情节概括了一些有关身体维持热动态平衡的机理。首先，生理活动增强，比如颤抖、心率增加和呼吸频率加快，身体的新陈代谢加快。随着身体中心温度进一步降低，产生热量的颤抖加剧，暖血停留在身体中心以远离寒冷。接下来，生命系统将会崩溃，器官衰竭，死亡不可避免。
3.1.2 温度调节
听闻了上面这个“有温度”的故事，让我们回顾一下最基本的知识。当一个成年人坐在普通的医生办公室，室内温度为72华氏度，伴随着空气中难闻的药水味，他的核心体温大约是（98.4±1）华氏度（（37.0±0.6）摄氏度）。饭后、做完运动和发烧时，核心体温将会增加1～2度；快速跳入游泳池则会降低1度左右。核心体温在午后达到极高值，刚睡醒时为极低值。
核心体温，顾名思义，就是身体中心部位的温度，相对于手指或者耳垂处的温度而言。从身体中心到四肢，温度会逐渐下降，并且跟年龄、身高、活力水平和性别等因素有关。比如，生理学上正确的女性仿人机器人的脚都会冰冷，这与外界温度无关。
如果将温度计直接插入某人的大脑或者肝脏，便可以测量他的核心体温，这就是为什么这些部位的温度可以确定死亡时间。如果知道外界温度和核心体温，就可以确定温度下降的速度，从而确定死亡时间，当然要假定外界温度较低且死亡时间较近。口腔和直肠温度测量没有这种作用，也不是精确测量核心体温的方法。
温度调节是人类活下来的关键，因为我们的生理机能只能在一个相当窄的温度范围内正常工作。比如，在寒冷天气下，肌肉不能正常收缩和舒张。你可能在飞机坠海的事故中活下来，但是如果海面刚好有浮冰，那么在你的肌肉失去弹性和血液变稠后的几分钟内，你的心跳就会逐渐停止，甚至感觉不到鲨鱼的撕咬。
假设另一种情况，你被困在冰灾中，身上连一件夹克衫也没有，那么冰晶会在你的脑细胞、眼睛、肌肉和皮肤上形成，你将失明且不能行动。这正好是身体休克的最佳时机，特别是在顺风方向刚好有一群饿狼的情况下。细胞中形成的结晶就像冻疮一样，这是冻肉不如鲜肉口感那么好的原因，也是星际航行中导致低温保存食物问题的原因。
发高烧可能是致命的，就跟被锁在艳阳高照的停车场的小汽车内却打不开窗户一样。如果你曾经利用铝箔在汽车仪表盘上煎过鸡蛋—“仪表盘熟食”—那么你一定知道用不了多少热量就可煎好鸡蛋或者让芝士融化。蛋白质会在高于106华氏度（41摄氏度）的条件下变性。对某些蛋白质来说，变性是可逆的，但是大多数（例如蛋清）是不可逆的。蛋白质永久变性可以解释在发高烧后，你会感到丢失了数以千计的神经和一些IQ值。
我们发现皮肤上的冷传感器比热传感器多出10倍。相反，大脑中的温度传感器作为下丘脑的一部分，对中心部位的热量极其敏感。从生存的角度来看，这是有意义的。当暴露在寒冷中时，我们维持核心体温的基本动态平衡机理开始生效，并减少流向皮肤和四肢的血流量。
减少体表的血液流量带来的问题是可以暂时保持体温不下降，但是手脚却容易冻伤。在今天看来，冻疮并不要紧，但是如果缺乏医疗手段，冻伤在最好的情况下会结疤，在最坏情况下腐败或腐烂的组织则会感染和肿大。除了不美观和难闻外，死亡和变质的组织会孳生细菌，扩散进入血液并导致死亡。
过度的热量引发的极端问题会少一些。在休息时，身体的大部分热量通过辐射和传导方式散失。如果通风条件良好，通过对流方式散失的热量也会非常显著。只有在环境温度低于体温时，这三种散热机制才会起作用，假设床罩里面的温度已经是110华氏度了，那又会怎么样呢？
这时候我们就开始流汗了。当下丘脑的某个部分感受到核心体温升高后，就会开启蒸发冷却系统。不仅皮肤上的汗毛孔会打开，而且皮肤表层的血管会扩张，使得温度高的血液从内脏流向皮肤层，从而导致热量快速散失。同时，会抑制颤抖和其他产生热量的机制。
核心体温上升时，我们的*调节出汗反应才会发生，但这是不完美的。例如，在湿度非常大的环境中，我们会停止出汗。另外，只要拥有足够的凉水供应，每小时出汗2～3升是没有问题的。但是，如果过度脱水，出汗机制就会关闭，四肢温度会快速升到环境温度，一旦核心体温上升到106华氏度，大脑中的蛋白质就会如同热煎锅中的蛋清一样。
3.1.3 负反馈
温度调节系统如同身体中的其他控制系统一样，是基于负反馈的。如果你熟悉运算放大器和锁相环，那么图3-1看起来就会非常熟悉。如图所示，身体中的新陈代谢系统产生热量，影响身体的核心体温。下丘脑中的传感器对超过设定值的核心体温做出反应，通过系统负反馈将温度调回设定值。流汗、皮肤中血液循环加快、肌肉和器官中的血液循环减慢以及伸出舌头等行为都是负反馈反应，以便散失热量和降低核心体温。
从图3-1中可以看出，新陈代谢升高体温，激活下丘脑中的温度传感器，然后反向调节新陈代谢。例如，当下丘脑抑制颤抖时，核心体温会下降。
在讨论负反馈系统时，增益是一个非常有用的概念，因为这是判断系统维持动态平衡能力的参数之一。对热平衡来说，增益可以表述为
增益 =（环境的温度变化/身体核心体温的变化）– 1
例如，假设外界温度变化25华氏度，引起身体核心体温变化1华氏度，那么系统的增益是
（25°/1°）–1 = 24
下丘脑设定的温度不一定总是98.4或者98.6华氏度，可能会被皮肤温度等变量影响。如果核心体温低于正常值，但是体表温度传感器显示外界温度较高，那么导致颤抖的温度设定值就会降低。相反，如果体表温度传感器显示外界温度较低，那么导致颤抖的温度设定值就会上升。从某种程度上看，体表温度传感器建立了一个早期的预警系统，稍早于核心器官对环境做出反应。例如，如果你跳进一条凉爽的溪流中降温，那么出汗就是在浪费能量了，即使你的核心体温稍微偏高一点儿。类似地，当你回到温暖的家中，颤抖也是在浪费能量。由此可见，体表温度传感器是核心体温的预报器。
热平衡的行为案例是很重要的，比如天冷时寻找避寒处，或者天热时跳进冷水中降低体温，类似于穿上厚外套的这类行为要优于无意识的生理学动态平衡机制。