医学应用中的控制技术与发展

控制对于生物医学工程以及更一般的健康应用的影响是巨大的。

控制对长寿最基本而且最关键的两个贡献是公共卫生洁净水和冰箱的应用，大大降低了我们在饮食中对盐的需求。没有反馈和控制，自来水和冰箱都不可能存在。

精密的控制系统提高了那些因心脏或是其他器官发生病变人的生活质量。例如，透析机依靠自适应技术（压力控制、抗凝作用等）来提供必要的服务。在医院的急诊室，将病人重要参数的检测与治疗措施（来自医生、护士和他们所监控的机器）结合起来，可以极大的提升对病人看护的质量。

在外科手术中，使用无线通信技术的微型机器人设备的发展，让医生可以用微创技术来完成手术和身体状况的检查。

如图11-1中所示是一个内科医生在ALF-X系统的控制室操作台上，这是SOFARS.p.A和欧洲委员会联合研究中心共同开发的带有触觉反馈的远程机器人手术系统^[1]。这是一个模块化系统，由5个可以通过一个或2个手术控制台远程操纵的机械臂组成，可以实现1∶1的触觉远程传输功能。实际上，就是医生通过一个触觉设备操纵外科仪器尖端所施加的力，这可以让医生的感知跟随手工处理的程序，和施加在仪器轴上的精确控制力结合在一起，触觉传感可以提高手术的效率和安全性。这个系统可以用来做任何形式的腹腔镜检查，很容易适应手术环境及其变化，只要病人的位置和可访问端口距离很近，就不会增加系统接入的时间。

图11-1 腹腔镜介入手术

医生完全不用关心手术仪器控制的复杂性，可以专心完成手术。反馈和前馈控制技术（使用仪器的精细模型）对保证手术的成功是必不可少的。(www.xing528.com)

有身体残疾的人承受着很大的痛苦，因为他们即使做最简单的事情也需要依赖别人，在（他们自己和紧邻的生活圈）感情上也遭受着毁灭性的打击。残疾所带来的经济影响很大，因为残疾人没法参加正常的经济活动，并且缺乏可以丰富生活的社会活动，自动控制系统可以在这个领域提供很多的帮助，一个有力的证据就是仿生耳，它是一个通过直接刺激听觉神经使严重耳聋者恢复接近正常听力的前馈控制器。

有许多其他的医疗应用依靠控制和反馈。下面这些可以大致描绘控制在医疗领域里的巨大影响：心脏起搏器、调节血糖水平的胰岛素泵、电动假肢、肌肉控制或是脑电图控制的假肢、声控轮椅、用于治疗抑郁症和癫痫的电子神经元激励器。仿生学这个新兴领域还处在发展初期，但是已经显示了很好的前景。

家庭信息学：

家居自动化（家庭信息学^[2]）也十分依赖反馈。

我们大多数的生活消费品（不只是马桶）都用反馈加强功能。冰箱、冷藏室、微波炉、中央供暖和空调都利用简单的温度反馈达到目标。虽然洗衣机、烘干机和洗碟机用到很少的自动操作，但用了很多基于规则的逻辑来最小化用水量，提高效率（有些通过与互联网连接进行远程监控和软件更新，并且通过制造商网站进行预防性维修）。有些洗碟机、洗衣机和烘干机利用动态声音反馈来抑制电动机的噪声。很多像摄像机或是照相机一样的设备，有自动对焦、画面稳定和自动白平衡的功能，这些反馈技术可以让你更专注于按下快门。你的耳机（和你的手机）会利用反馈抑制周围的声音，这样虽然周围有很多噪声，也可以仿佛在一个安静的环境里享受音乐了。它们利用自动增益控制来保证最小失真，有些甚至可以适应声场来创造教堂里的声效。有没有想过轻如羽毛的扬声器为什么能够产生令人难以置信的好声音，然而在过去这些设备重量仅有一吨。反馈和前馈用来将预失真的信号传给扬声器，以补偿它的传递函数，抵消多余的扬声器质量。

上面只是简单地介绍了当前的发展，家庭信息学的全新革命还在继续。光、热、安保和声音在我们一出现时就工作，还可以通过网络连接远程控制。一个自动吸尘清洁的家，或者是一个可以自动吸尘的机器人（可以清除收集的灰尘脏污）怎么样？自己清洗的窗户？一个知道保护花坛的割草机器人怎么样？