|
我是一个自动控制工程师，但今天的话题并非三句话不离本行，只是摆摆龙门阵，聊一些关于动物的控制的趣事。 多年前一个夏天，一贯凉爽的成都有几天特别热，我们全家一起去青城山下一个山庄旅社住下避暑。 下午在房间里呆着无聊，就去院子里的树荫下溜达，看见一只蜻蜓飞过来，在汽车引擎盖上方盘旋，然后，来了个蜻蜓点水，产下一泡卵。 这蜻蜓把引擎盖当作小水塘了。 汽车引擎盖怎么会被误认作水塘呢？想来想去，应该是都能够反映天空景色吧，大自然里，能够反映天光的表面，除开水面好像想不出别的，而且还得是静水，不是湍急的流水，这正是蜻蜓繁衍后代的好地方。 进化不知道用了多少万年，才让蜻蜓能够找到理想的繁衍地，而人造的表面光滑反光的玩意儿，轻而易举地就把可怜的蜻蜓带偏了。 不过，引擎盖那么硬，还被晒得滚烫，蜻蜓尾巴撞上去的感觉肯定不一样，它应该马上知道自己弄错了，然后飞走去寻找真正的水面吧？ 才不呢，这只蜻蜓一下又一下，直到把卵全部产完才飞走。接着还飞来一大波蜻蜓，在一溜停放的汽车上产下许多卵来。 造孽哟，这一大波蜻蜓就这么全体绝后了。 蜻蜓点水是一个控制行为：为了繁衍后代，用尾部点水的方法，让产下的卵在水里分散开。 有目的有手段，能够影响一件事情的发展方向，这就是控制，控制的定义很宽泛，在动物界和人类社会，到处都有控制，或者可以这么说，动物和人类的行为，大部分都可以归类为控制。 但蜻蜓点水这种控制有一点问题，见着能反映天光的表面就去点水，而不会根据反馈回来的信息做出调整，比如根据尾部触感信号来判断那到底是不是水面，这叫做开环控制，只按预定方式干活，不检查结果。 用得更多的是闭环控制，也就是会随时检测实际情况，拿来和控制目标比较，然后根据比较结果决定下一步控制，简单说，就是摸着石头过河。 工程中如果决定使用开环控制，一定是控制手段对控制对象的影响很直接也很确定，不会产生什么偏差，用不着多此一举地摸着石头过河。 在大自然里，能够反映天光的表面，除开静水基本上不会有别的，所以蜻蜓产卵采用开环式的点水方式，并没有什么不妥，可惜遇到了人类造出来的古怪东西，开环控制的前提被破坏，蜻蜓们就倒霉了。 再讲一个动物的控制行为，飞蛾扑火。 飞蛾为什么要扑火？真是这个成语的寓意那样，是自取灭亡？还是说蛾子有什么趋光习性？ 我其实没有看见过飞蛾扑火，我看见过飞蛾扑路灯，结果是路灯下聚了一大堆蛾子在那里没完没了地飞，那算不上自杀吧？所以自取灭亡的说法站不住脚，只能是一种比喻，不能作为解释。 说蛾子有趋光性是想当然，蛾子并不是直线扑向灯火的，是打着旋，沿着螺旋形轨迹向着灯火越飞越近，最后才撞上去的，如果真是趋光，何必这么麻烦？再说了，在没有人造灯火的夜晚里，如果蛾子真有趋光性，它们应该对着月亮星星往天上飞才对，谁发现过这种现象？ 其实，飞蛾扑火也是一种被人类带偏了的控制行为。 在这里，控制的目的是什么？我先说说蛾子为什么要飞？ 丝蚕也是蛾子一族，养过蚕的人都知道，刚孵化的幼蚕黑黑的，只有蚂蚁大小，但形态已经是蚕的模样。之后几经蜕皮，一次大一圈，模样却没有变化，会爬不会飞。最后吐丝作茧化蛹，待到破茧而出，就已是蚕蛾了，长了一双翅膀，会飞了，但也没有几天寿命了，交配，产卵，死去，就是它们的最后归宿。 问题来了，一生中绝大部分时间都是爬虫，为什么生命的最后几天，非得长出翅膀要飞？ 反过来问，如果到最后蚕儿也不会飞，会是什么样？如果是这样，交配和产卵，就都只能是就地就近了，还能爬出多远？必然的后果是，近亲繁殖难免，后代又过于集中，一片桑林中下一代蚕儿密度太大，弄不好这片桑林都会被祸害殆尽，而不过数百米外的桑林里，却可能一只蚕儿也没有。 守在一地繁衍的蚕子，弄不好是会灭绝的，所以，进化出飞行能力，而且仅仅是在最后的繁衍阶段才会飞行，就不难理解了，而飞行的作用，就落在一个'远’字上，各自飞去远处交配，近亲繁殖概率大降，各自飞去远处产卵，后代的分布密度也就能够比较均匀。 要想飞得远，就不能原地打转，所以，蛾子需要进化出一种用于导航的本能，来保证一直往同一方向飞。 这就是一种控制要求了：目的：更好地繁衍后代，手段：改变飞行方向的能力，想要达到的效果：直线飞行，在有限的时间里尽可能飞得更远。 这个不能用开环控制，没有外部信息反馈，动物做不到直线移动，不信你试着闭上眼睛走几十米试试，自己以为是走的直线，旁人看到的是你在慢慢地拐弯，走出一个弧线来。 蛾子们需要找一个能够反映当前前进方向的信号来作为反馈，实现闭环控制。 蛾子属于昆虫，昆虫的眼睛是复眼，由许多小眼组成，每一只小眼的视野很狭窄，如果它们在飞行中把日月星辰这样的发光物体，一直套牢在一只小眼的视野里，是不是就保证了飞行的方向没有变化？ 日月星辰的距离够远，所以不管蛾子们飞了多远，只要方向没变，这些天体光线的入射角度就不会变化，所以，飞蛾们的直线飞行控制，是利用日月星辰作为导航信号的。 然后它们也遇到了人类弄出来的东西：灯火。 灯火的距离不远，蛾子如果是直线飞行，灯火光线的入射角是会不断变化的，比如一盏灯本来在蛾子的左前方，蛾子如果直线飞行的话，这盏灯的角度就会越来越偏左，会来到蛾子的左侧，最后从左后方消失，所以，灯火是不适合为蛾子的飞行导航的。 但正因为距离不远，蛾子接收到的灯火光线很可能比月亮星星亮，就会被蛾子当作主导航信号。 当左前方的灯火方向向左边变化时，蛾子就会改变方向往左边飞，但飞着飞着灯火方向又偏左了，蛾子就只好继续往左偏，最后的结果是，蛾子会以一个渐近螺旋的轨迹，飞得离灯火越来越近，最后一头撞上去。 又是人类惹的祸，本来很好用的控制方式，被人类破坏了前提。 再讲一种甲壳爬虫，这种甲虫在地面打洞，住在洞里。 它出外觅食的时候，东爬爬西走走，是一条曲曲弯弯的不规则路径，但往回走的时候，却是对准洞口，近乎笔直地爬过去的，到达离洞口很近的地方时，开始转着圈子寻找洞口，最后回到洞中。 打道回府时没有别的事情，走直线直接回去当然很正常，但是，它是怎么做到的？ 不可能凭视觉，爬虫的眼睛离地面不到一厘米，一点点起伏就看不见洞口了，而且，如果真是看到了洞口，又怎么会在洞口附近转圈寻找？ 也不可能凭嗅觉，它不是原路返回，回家时走的是新路线，而且，嗅觉寻路也同样解释不了它为什么会在洞口附近打转。 可以来猜一猜，这小家伙到底是怎么找到回家的路的。 从表现上看，它不仅大致知道洞口所在的方向，而且还大致知道洞口的距离，或者说，它知道自己离开洞口以后，曲曲弯弯爬行一大段路程，所对应的位移矢量大致是多少。 于是可以这么去猜，这只小虫会做位移矢量积分。 听上去很荒诞，一只小小的甲虫，会做高等数学运算？ 其实没这么玄乎，具体的运算基础不过是矢量加法而已，比如，一个人向东走了一百米，再向北走了一百米，如果以东西方向为X轴，那么位移矢量的直角坐标表示就是100i+100j，如果用方位角加距离来表示，就是向东北方向移动了142米。 如果走的是曲线，那就分成很小一段累加，每一段当作直线，在知道方向以后，可以分解成X和Y两个方向的分量分别累加，只要分得足够细，曲线就会近似于直线，结果就会足够准确，计算起来也并不难，这叫做矢量数值积分，本质上就是累加计算而已。 只不过，每一次都要把一小段已知方向和距离的位移矢量，换算成直角坐标的形式来分别累加，最后的结果，又要换算回方向和距离来表示，对于学生来说，最少也要中学以后才可能学会。 但甲虫如果真会做这个计算，也就只是一种本能而已，进化可以用很多万年的时间，来让小虫子拥有这个本能。 如果这样的计算用计算机编程来实现，核心部分也许还用不到十条程序语句，甲虫的那个小脑袋里，也完全可以装得下。 所以，实际情况远没有看上去那么荒诞。 如果真是这样，那么它的回家方式也是一个闭环控制，闭环的反馈信号就是位移矢量积分的结果。 但这只是猜测。 甲虫觅食不管走了多远，路线多么曲折，都能在回程时走一条直路，到达洞口附近才开始打转找洞口，这是观察所得。 这甲虫会做位移积分运算，这是一个猜测，这个猜测可以很好地解释之前的观察结果，只是有点匪夷所思，但作为一种进化而来的本能，并不是不可能，那么这个猜测就多少有点靠谱了。 剩下的事情，是需要想办法做一个验证。 怎么验证？可以在甲虫回家的路上，出手干预一下，看看怎么样。 比如说，在甲虫回家的半路上，铺一张纸，上面盖点泥土，等甲虫爬上去以后横着拉一段距离，如果是由西向东回家，那就往南边拉上一米，会发生什么呢？ 如果甲虫真是通过位移积分来确定回家的方向和距离，那么它就不会知道存在着这一米的位移，因为那不是它自己爬过去的，所以，它会继续往东爬过去，在洞口南边一米左右的地方打转，也许就再也找不到家了。 如果甲虫是用别的方法确定洞口方位和距离的，它就有可能感知到自己当前的真实位置，重新确定方向和距离，就应该仍然在洞口附近开始打转。 实验的结果，对甲虫是一个悲剧，小家伙真的找不到家门了。 看来，这小甲虫真是用矢量积分的方式来寻找回家的路的，而且也是一直都很好使，但遇上了人类，就也被带偏了。 不过，这一次只是一个带有恶作剧意味的实验行为，平时应该没有谁去干扰小甲虫的回家之旅，它要比蜻蜓和飞蛾幸运多了。 |
|
|
