2.3　基于生物啟發的智能制造系統的生物學背景

人體生理機構中的內分泌系統是人體用來調節機體，適應內外環境變化的重要生理系統，其通過腺體的形式分布在機體的各個部分，在實現分布式調控功能的過程中表現出了許多優異的控制協調功能特性。比如，內分泌系統對機體中樞神經系統運作過程的影響、內分泌功能所具有的各種不同的情感反應、機體內部基于激素反應擴散機制的隱式協調機制、不同生物有機體中內分泌系統所體現出來的同源性等。這些內分泌系統的功能特性不僅是生物控制領域的研究重點，也是我們基于該信息處理機制建立新型智能制造系統—類生物化制造系統模型的理論基礎和思想來源。

2.3.1　內分泌系統基本概念

所謂內分泌系統，指的是生物有機體內部的某些組成部分通過向生物體內部分泌某種生物活性物質來實現機體調控的某些功能的生理系統。而這些由內分泌系統中特殊細胞（器官、組織）向機體內部分泌的、代表一定特殊含義的生物活性物質被稱為激素（Hormone），其既可以由一個細胞分泌后通過體液環境傳遞給另外的細胞，也可以在細胞或組織內部進行傳遞。激素對人類機體的正常運作具有極其重要的調控作用，其中最常見的激素有甲狀腺激素、生長激素和性激素等。比如，甲狀腺激素的主要作用是可以促使人體蛋白質合成的有效進行，快速吸收有利于人體的糖分物質，刺激人體機體的生長及神經系統的興奮度等；生長激素的主要作用則是刺激人體除神經組織以外的各種肌肉、器官等組織的發育和生長，促進機體內各種有益蛋白質的合成，維持機體的新陳代謝功能，是人體生長發育的重要組成部分。

在人體生理系統的各種組織器官中，有一部分器官的主要功能就是合成這些含有一定信息的化學物質（激素），并將其分泌到機體的內環境中，這些器官統稱為內分泌腺體。在人體內分泌系統中，分泌激素的主要腺體包含大腦里的下丘腦、垂體（主要接收神經系統的感應信息，發出各種刺激應對指令）和人體內部的甲狀腺、腎上腺（主要用來接收相應刺激指令，分泌激素調節人體機體的內部運行）等。對應地，人體內部負責合成和分泌這些不同性質化學物質（激素）的功能細胞就是內分泌細胞。內分泌細胞一般主要集中在各種不同的內分泌腺體中，在人體其他一些主要的功能器官中也有少量的分布。在內分泌細胞中，有些細胞的功能不僅僅是合成和分泌激素，其同時還具有神經細胞的功能，即可以接受、產生和傳導各種神經波動，這種內分泌細胞被稱為神經內分泌細胞，其所分泌的激素就是神經激素。人體內部能夠接受激素并受其影響的器官被稱為靶器官；同理，能夠被激素作用和影響的細胞被稱為靶細胞。若某種內分泌腺體既可以分泌激素，同時又可以受到某種激素的影響，其通常也被稱為這種激素對應的靶腺。人體內分泌系統正是由這些內分泌腺體和內分泌細胞等通過激素所構成的一個復雜的重要的人體生理系統。

2.3.2　內分泌系統的組成

如上所述，人體內分泌系統主要的構成部分包括內分泌腺體、內分泌細胞和內分泌分子，其完整的神經內分泌結構如圖2.5所示。圖2.5所示的神經內分泌系統主要可以實現三種情況下的機體內環境調控作用。第一種是由神經內分泌腺體或細胞直接針對非內分泌靶器官分泌神經激素進行調節和控制。第二種是由神經內分泌腺體或細胞針對大腦中的腺垂體分泌出相應的神經激素，刺激其分泌對應的激素，通過該垂體分泌的激素來對機體內的器官或組織進行合適的調控。第三種情況是最復雜的一種情況，其不再是某種單一神經激素與腺體或垂體的對應調整，而是通過眾多不同神經激素、促激素、靶器官和靶腺體等綜合協調聯動對人體復雜的各種內外環境進行動態處理。

1. 內分泌腺體

所謂內分泌腺體，是指人體器官中由大量內分泌細胞聚合所形成的，具有分泌激素功能的器官或組織，如人體內的下丘腦、腺垂體、胰腺、甲狀腺和腎上腺等。

（1）下丘腦和腺垂體

大腦是人體最重要的器官之一，其組成復雜、功能全面，而下丘腦和腺垂體就位于大腦這個人體控制中心，共同構成了人體重要的生理調節系統—內分泌網絡的控制中樞。下丘腦負責處理各種由人體神經網絡感應所傳輸來的神經信號，并將其轉換為各種對應的神經激素物質，由這些神經激素物質對相應的腺垂體進行作用，促進或抑制某種腺垂體的激素分泌，進而實現對整個內分泌網絡運行的調控作用。腺垂體只是一個微小器官，但其在人體內分泌系統中扮演著最重要的角色，很多人體器官和組織都受其調控。醫學研究者從中已經分離出了不少于9種不同類型的激素物質，正是這些不同類型的激素物質對人體內部的各種生理動作進行調節，因此，腺垂體在人體內分泌系統中發揮的作用是非常廣泛和復雜的。在內分泌系統中，下丘腦與腺垂體相互關聯而構成一個重要的控制單元，其既和內分泌網絡外的中樞神經系統連接，也和內分泌網絡內的各種靶腺連接，起到了關鍵的橋梁作用。

在神經內分泌系統中，下丘腦通過專門的脈絡系統與腺垂體進行相互聯系，由下丘腦中的神經分泌細胞向脈絡系統中的毛細血管網絡釋放促進垂體分泌的神經激素或者抑制垂體分泌的神經激素的信息，進而對腺垂體的相關生理化學活動進行調控。脈絡系統中的體液具有雙向流動的特性，既可以使下丘腦的神經激素影響腺垂體，也可以使腺垂體的激素反過來影響下丘腦的活動，從而使腺垂體可以有效地應對機體內外的各種環境變化和刺激，通過激素分泌快速調節機體平衡。因此，在人體神經內分泌系統中，下丘腦和腺垂體是非常重要且不可或缺的一個環節。

（2）內分泌靶腺

在神經內分泌系統中，調控作用的產生與運行很大一部分功能要歸功于遍布于機體各處的各種內分泌靶腺，正是這些不同類型的內分泌靶腺組織，接受各自特定的腺垂體激素信息后，做出或促進分泌或抑制分泌的反應，從而使腺垂體可以通過體液循環系統對整個神經內分泌系統中各種激素起到調節控制作用。由于機體內部分布的內分泌靶腺功能不同，各自又可組合成可以發揮各種特定作用的調節系統，如甲狀腺調節系統、胰腺調節系統、腎上腺調節系統等。此處以甲狀腺內分泌調節系統來進行簡單的說明。

甲狀腺調節系統的示意如圖2.6所示，在大腦皮層中，有機體的神經細胞感知各種刺激信號，并將其根據生命活動需要整合傳送到下丘腦組織，下丘腦組織根據接收到的信息分泌促甲狀腺釋放因子（TRF）給腺垂體，而腺垂體則根據TRF中的信息合成分泌促甲狀腺激素（TSH）對機體組織進行調控，同時又通過體液循環系統將血液中的激素濃度狀態反饋給下丘腦和腺垂體，使整個生理系統時刻處于一種動態的平衡狀態中。

2. 內分泌細胞

在神經內分泌系統中，發揮核心作用的內分泌腺體是由很多特殊的細胞組成的，這些細胞可以針對不同的外界信息產生不同的合成或釋放某種化學物質的生理反應，這些細胞就是所謂的內分泌細胞。在一個內分泌腺體組織中，往往包含多種具有不同功用的內分泌細胞，其各自應對不同的刺激，分泌不同類型的激素，根據其功用不同，大致可分為：具有接受神經刺激信號功能的神經內分泌細胞；具有調節其他內分泌腺體作用的腺垂體細胞；接受腺垂體調控的靶腺細胞。

所謂神經內分泌細胞，指的是可以接收神經細胞傳來的各種不同的神經信號，并可以將其轉換為對應的神經激素信息來實現對內分泌網絡系統中腺垂體調控作用的一類非常重要的內分泌細胞。這類細胞主要集中于下丘腦基的下部區域—促垂體區。神經內分泌細胞對于人體中的神經網絡系統與內分泌體液調節系統之間的相互關聯起到關鍵的銜接作用。在人體內分泌系統中，用于調節腺垂體分泌的激素種類和數量的各種神經激素信息均是通過神經內分泌細胞進行分泌的，其中主要包括生長激素釋放激素、生長抑素、促腎上腺釋放因子（激素）、促甲狀腺釋放因子（激素）等。

內分泌系統中另一種最重要的細胞就是腺垂體細胞，它是整個內分泌系統調節的控制核心，其通過接收神經內分泌細胞釋放的刺激信號分泌出相應的激素物質。根據所分泌的激素發揮的作用和功能，腺垂體細胞可以分為不同的種類，如生長素細胞、促甲狀腺激素細胞和促腎上腺激素細胞等。位于下丘腦中負責接收神經信號的神經分泌細胞根據外界刺激促進分泌或者抑制分泌的激素信息，通過脈絡系統傳導到分布式的腺垂體上，腺垂體細胞膜上的特異性靶受體根據接收到的激素信息決定腺垂體細胞的反應活動，增加或抑制相應的內分泌系統中內分泌靶腺的激素分泌量。

在人體內分泌系統中，內分泌細胞除了上述兩種偏向于控制功能的細胞，還有一種重要的起到執行作用的效應細胞，即內分泌靶腺細胞。這類細胞其種類繁多，對人體內部的絕大部分生理活動起重要的調節作用。靶腺細胞的工作原理就是其細胞膜上的特異性受體接收上級對應的腺垂體分泌的某種激素信號，然后靶腺細胞根據該激素信息分泌出相應數量和種類的激素，直接參與人體內部的生理活動過程。例如甲狀腺細胞，在內分泌系統中，根據腺垂體所釋放出的促甲狀腺激素，甲狀腺細胞分泌出特定數量和濃度的甲狀腺激素，而人體在生長發育過程中所需的各種有機物的合成和生理活動過程中的能量代謝則可以在甲狀腺激素的促進下更好地進行。如圖2.6所示，甲狀腺細胞分泌的激素不僅作用于機體的生命活動，同時還對下丘腦中的神經內分泌細胞和內分泌系統中的腺垂體細胞都有反饋作用，而正是這種多重反饋調節的控制結構保證了人體生理活動過程中機體內環境的動態平衡和穩定。

3. 內分泌分子

通常情況下，常見的內分泌分子包括細胞膜受體分子、胞漿受體分子、肽類激素分子、第二信使分子和類固醇激素分子和細胞核內受體分子等。在內分泌分子的作用過程中，肽類激素分子通過與靶細胞膜上的具有特殊結構的受體結合來激活腺苷酸環化酶系統，使細胞中的ATP在Mg2+存在的前提下，可以轉化為CAMP（第二信使），從而令肽類激素分子的信息傳遞給了第二信使分子；CAMP通過激活蛋白激酶來觸發靶細胞的內部反應，如神經細胞傳遞信息過程中的電位變化、細胞膜的通透性變化及各種不同生物酶的作用，等等。類固醇激素分子的特點是個頭小且具有脂溶性，它可以快速滲透細胞膜，與細胞中的胞漿受體結合生成一種特殊的復合物，在37℃的條件下會產生一種變構，使該復合物可以穿透細胞核的外膜，進一步與細胞核內的特定受體結合，轉變為激素-細胞核受體復合物，然后在細胞核內部生成或抑制mRNA，進而對DNA的轉錄過程進行調節控制，并通過調節蛋白質的生成來控制靶細胞的生理反應，激素的基因表達機制如圖2.7所示。

2.3.3　人體內分泌系統的主要功能特點

1. 內分泌系統對神經系統的高層調控

在傳統的醫學研究中，通常會將人體的內分泌網絡系統和神經網絡系統分割為兩個互不相關的獨立系統分別進行研究。但是，越來越多的生理學研究發現，這兩大網絡系統在調節人體內環境平衡的作用上是密不可分的，正是通過它們之間的相互影響和協調合作，保證了人體生理系統中的內外信息能夠及時準確地進行傳遞，從而保證了機體對各種環境變化的適應，進而維持生命活動的正常進行。神經系統接受刺激，發送電信號，刺激內分泌系統工作；同樣，內分泌系統也可以以激素的形式對神經元細胞進行反饋，反過來對神經系統的行為產生影響。兩者之間相互作用的過程比較復雜，蘊含很多高效的信息處理機制，同時還體現出生物特有的自適應、自學習和自組織等方面的特性。

因此，研究神經系統與內分泌系統之間的相互作用機制，既可以探索其在現代智能制造系統分布式控制中的應用，也可以利用激素的一些特性對現有的智能算法和模型進行改進。

2. 基于激素反應擴散過程的隱式協調

在內分泌系統中，各種不同種類的內分泌細胞分布于人體內部各個地方，激素分泌并擴散到整個機體，這個生理過程蘊含豐富的分布式控制機制與原理。在內分泌系統中，內分泌細胞的細胞膜表面都分布著某種特異的受體，這些受體可以感受周圍環境中的某種化學信號，并根據該信息對自身的激素分泌過程做出增強分泌或抑制分泌的調節，即單個內分泌細胞完全可以看作一個具有感應器（細胞膜表面的受體）和效應器（細胞分泌激素）的自主個體，而內分泌系統則是由這些自主的個體通過相互作用所構成的一套動態的平衡網絡，用以實現生命對機體內、外環境變化的自適應與自調節功能。同時，由于內分泌系統中的激素傳播過程是在體液中無目標地擴散，由具有特異性受體的其他內分泌細胞對其進行響應，這種作用機制是一種典型的隱式通信機制。并且，由于內分泌系統中激素作用機理帶有天然的分布性特點，對其信息處理機制進行深入研究必然給現代智能制造系統的分布式通信與控制問題帶來新的思路和解決方案。

因此，在內分泌系統作用機制和調節原理的啟發下，我們建立了一種智能制造系統的協調控制模型，并對蘊含隱式協調機制的內分泌系統中的激素作用原理進行研究，將其應用在現代智能制造系統動態協調控制或任務分配中，這也是本書的重要研究內容。

3. 生物內分泌系統的多重反饋特性

在人體內分泌系統中，關鍵的信息物質就是激素，其主要作用方式有四種：①自分泌，是內分泌細胞所釋放的激素物質經過局部擴散后，反過來又可以被自己所分泌的激素影響的內分泌形式。②旁分泌，是內分泌細胞所分泌的激素物質直接擴散至附近的靶細胞發揮調節功能的內分泌形式。③遠距分泌，是通過體液環境，將所分泌的激素物質擴散至機體遠端的靶細胞發揮調節功能的內分泌形式。④神經分泌，是神經內分泌細胞所釋放出來的激素，經過脈絡網絡擴散至腺垂體上發揮調節功能的內分泌形式。內分泌系統通過分泌激素來調節糖、脂肪、蛋白質及水鹽代謝等生理活動，促進細胞分裂，影響神經系統活動，控制生殖器官發育等，以便維持人體內部生理環境的穩定。在內分泌系統中，激素濃度的調控過程包含多重反饋結構，既有靶腺激素的長環閉合反饋，也有腺垂體分泌促激素時的短閉合回路反饋，還包含下丘腦對激素作用的超短反饋。在內分泌系統中，中樞神經系統首先根據所感受到的外界情況來刺激下丘腦，使其分泌出合適的促激素釋放因子（HRH），HRH進一步對腺垂體產生影響，使其分泌出相應的促激素（RH），然后通過體液循環擴散到對應的靶腺體，促使其分泌出機體平衡所需的激素。其中，下丘腦感知的RH濃度為短反饋，對自身分泌的HRH濃度的感知為超短反饋，對靶腺體所分泌的激素濃度的反饋為長反饋，正是由于存在這些復雜的多重反饋結構才可以使內分泌系統在調節機體平衡時能夠做到快速準確。

因此，在內分泌系統多重反饋機制和結構的啟發下，我們對智能制造系統的生產物流系統中的在制品庫存控制模型進行研究，提出了一種基于多重反饋機制的在制品動態庫存控制模型。