仿生装置 模拟自然界的组装和修复过程 中文翻译版

本书共分为三个部分，运用系统论工具融合科学、工程学和临床医学领域前沿与基础知识。第一部分通过探讨自然界生物灵感来源，自然界构建装置的物理约束，自然界不同尺度的结构、材料、系统和各种仿生方法等介绍了新一代仿生装置的科学基础；第二部分通过对神经影像技术、神经发育学的考察及神经系统重构案例分析等探讨了自适应和人类神经系统对于神经假体装置和神经康复技术研发的启示；第三部分展望了神经假体、神经康复装置及康复机器人等装置研发的技术挑战，同时还探讨了新兴技术带来的人-机器关系改变。本书适合生物、医学、工程交叉领域的研究者、管理者、投资者和学生阅读参考。

第一部分自然界建造与修复过程的生物学启示
第一章组成复杂系统的仿生装置3
一、生物学启示4
二、组成复杂网络的仿生装置8
三、复杂系统的自组织12
四、鲁棒性、具身化、可预测性、智能化、自修复、涌现性、发育性的系统13
五、仿生装置：跨越鸿沟26
第二章自然界如何建造：物理定律、形态发生与动力学系统29
一、达尔西？汤普森：生长与形式30
二、图灵与形态发生32
三、形态发生过程的体内成像34
四、张力平衡与机械生物学的兴起34
五、涌现形式39
六、能量流的机械约束与细胞网络的涌现40
七、组织原42
八、表观遗传场景42
九、生物系统如何利用物理不稳定性构建装置44
十、动力学系统与临界性45
十一、吸引子（基元）47
十二、任务动力学49
十三、基元的发展起源50
十四、呼吸动力学与装置发展53
第三章自然界建造了什么：材料和装置58
一、自然界的活体材料60
二、生命装置63
三、多时间尺度重构：演化发生65
四、身体和神经系统：比例关系67
五、能够探测结构化能量的自然构建器官69
六、机械传导智能装置73
七、昆虫感知装置有多智能76
八、预应力：听觉和触觉中的跨尺度机械传导79
九、肌肉性静水骨骼81
十、自然界中的泵82
十一、从吸引子动力学到功能85
十二、导航：神经吸引子和行为动力学88
第四章用自然界的方法构建装置92
一、模拟生命装置93
二、仿生自适应材料的自组装95
三、器官反向工程：微流体使能技术99
四、纸基生物技术101
五、为什么模仿肌腱单元如此困难101
六、构建柔性传感器、促动器和软体机器人的仿生过程104
七、折纸、可编程材料和可打印制造106
八、软体机器人108
九、体型符合比例的微型运动机器人：寻找掩护，溅起水花，拍打翅膀110
十、从章鱼机器人到底层物质空间118
第二部分神经系统的结构、功能、发育和脆弱性
第五章自然界的神经系统网络123
一、细胞身份多样性126
二、涌现性功能127
三、神经连接组128
四、神经调节在行为涌现中的作用：线虫和果蝇131
五、神经系统成像记录的遗传与分子工具革命132
六、动作协调：观察行为过程中的整个大脑134
七、简并性137
八、脊髓和脑干回路138
九、小脑的功能143
十、基底节和运动程序：选择144
十一、神经力学：昆虫、无脊椎动物和小型脊椎动物的具身化神经系统145
十二、大脑结构的进化149
十三、大型神经系统的结构和功能突现150
十四、神经连接组拓扑建模：图形化153
十五、振荡频率波段与临时功能群的形成153
十六、同步化结合与相干性交流155
十七、静息状态动力学157
十八、大脑、身体和行为：不仅仅是计算159
第六章人类神经系统：发育与脆弱性161
一、神经回路自组装163
二、胎儿和新生儿大脑发育成像：结构和功能164
三、人类中枢神经系统发育概况166
四、胎儿大脑、早产儿和室周白质软化症168
五、大脑皮质169
六、过渡性亚板区171
七、皮质折叠172
八、突触发生与健康发育神经系统的重构173
九、神经胶质：神经系统的暗物质175
十、功能预测178
十一、发育过程意外事件导致的内源性大脑脆弱性180
十二、正常大脑网络的发育涌现：五项原则183
十三、脆弱性和神经病理学186
十四、母体免疫激活：大脑发育脆弱性的联系188
第七章自然界如何重塑和修复神经回路190
一、水边的进化192
二、变态与运动演化194
三、再生198
四、鸟鸣：探究行为的关键期201
五、控制关键期的开始和结束204
六、从小鼠到人类：皮质可塑性205
七、脊髓损伤后的可塑性209
第三部分了解和模仿自然界的损伤反应
第八章神经修复：装置具身化217
一、构建神经修复装置的机遇和挑战219
二、神经修复的第一个支柱：接口、解码与具身化222
三、神经修复的第二个支柱：感知、协同和耦合230
四、神经修复的第三个支柱238
第九章神经康复：重建与修复受损神经系统242
一、脑瘫、精神分裂症和脑卒中的主要挑战244
二、神经诊断学248
三、神经康复的计算方法250
四、伯恩斯坦传统与动力学系统257
五、任务动力学视角的发育神经康复260
第十章面向群体性、自适应、涌现性系统无缝部件的装置270
一、互利共生271
二、互利共生为生物混合机器人提供生物灵感277
三、互利共生是合成生物学和器官芯片装置的基础289
四、再生医学293
五、再生医学与受损神经系统296
六、结语298
参考文献300