人类安全和福祉工程的社会创新和幸福

意见和评论282工程第1卷·第3期·2015年9www.engineering.org.cn人类安全和福祉工程小泉秀明工程2015，1（3）：282-一段时间以来，我一直在研究“人的安全和福祉”的综合概念，其中把人们的日常生活作为最优先事项，以及“社会创新”的概念。“人的安全”概念诞生于1990年代初，取代了“共同安全”的概念。人的安全包括国家间合作应对全球变暖和流行病等对整个人类的共同威胁。另一方面，“幸福”的概念是积极主动的，包括幸福和生活质量（QOL）。社会创新将信息和通信领域的科学和工程与社会基础设施联系起来，确保出现对社会有用的新系统，并在经过验证的技术基础上加以实施。这一研究领域解决了影响人们的各种问题，从而为整体利益做出贡献。当今存在的紧迫问题涉及能源、环境、医疗保健（包括心理健康）、教育、交通、食品和老龄化。在寻求人类安全和福祉的过程中，社会创新为解决这些问题提供了动力。未来的城市化概念将需要一个总体规划来解决上述所有问题。实现这样一个总体规划的个别方法将需要各种各样的创新和技术发展。鉴于创新的本义是“通过新的结合进行创造”，“共同创造”（开放式创新）的理念在社会创新中不可或缺。通过加强人文科学、社会科学和其他领域之间的联系，并在必要时将各个领域连接起来，新的体系就会出现。为此，大脑功能科学将变得越来越重要。这是因为大脑是自然科学、社会科学和人文科学共同的信息处理器。多年来，我们一直在寻求各种方法，以在测量、分析和控制技术的关键领域产生协同效应。这项工作目前的紧迫问题是是确保信息和通信技术（ICT）传播到社会基础设施的所有领域。此外，生命科学领域的科学和工程之间的联系正在为21世纪创造新的前沿。例子包括脑科学和再生医学，特别关注诱导多能干细胞（iPS）工程和技术科学院理事会会议记录（2011年）在工程师学会理事会之际-ing和技术科学（CAETS）召集，举行2011年在墨西哥城，我有机会向在2011年3月11日东日本大地震后向日本提供支持和热情同情的CAETS成员国表示感谢。我在理事会会议开幕式上的发言后来被CAETS秘书附在CAETS的网页上。地震发生后，包括我在内的一些日本工程师不得不回归基本，以指导我们的思维方式。例如，物质主义的繁荣能确保幸福或安康吗？作为人类，什么对我们最重要？什么是工程的最终归宿--工程的真正目的？东北灾区重建2011年3月11日，日本东北地区的太平洋沿岸城镇被大海啸彻底摧毁（图1）。近2万人丧生。虽然三年过去了，但在这个海滨灾区，重建工作进展十分缓慢.这种情况凸显了新型城镇化在人的安全和福祉方面的难度。城市的原始形态图2所示的古希腊城市废墟是城市原始形式的一个例子。塞里农特是古雅典的殖民地，2500多年前在西西里岛建立这座城市坐落在靠近地中海海岸的一座平坦的山上，图1.2011年3月11日，女川镇在20米高的海啸袭击后消失照片由H。小泉，2012年。日立有限公司研究员和公司官员日本工程院（EAJ）作者（S）2015出版社：Engineering Sciences Press这是CC BY许可下的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by/4.0/）意见和评论www.engineering.org.cn第1卷·第3期·2015年9月工程283图2.城市的最初形式：塞利农特，西西里岛的一座古希腊城市（公元前628年）。照片由H。小泉地中海。雅典卫城是塞里农特的中心;这一地区受到市民的尊重，城市治理在这里进行。整个城市都被高墙包围起来保护，当时的情况也是如此。塞里农特的基本城市形态和功能构成了一个城市的原始形态，或者说是歌德在他的形态学概念中首先指出的原型。一座城市是从它的基本形态经过蜕变而演变出来的。人性化设计在讨论智慧城市的概念时，我们经常讨论实现它的具体手段，例如智能电网或环境问题。然而，当我们考虑一个未来的城市时，我们不应该从手段开始，而是从最终目标开始。城市是人类居住的地方因此，我们的首要任务应该是使这样一个城市未来的城市是什么样的？图3展示了一个以人为本的未来城市的建议。在这方面，人类安全和福祉是关键概念，社会创新被用来打造最佳的城市群为了优化，我们必须考虑能源、环境、物流、运输、医疗保健、教育和粮食生产等所有问题。城市群的整体优化问题还没有得到系统的研究。我一直在倡导这个新的跨学科领域是科学，工程，技术相结合的新概念的典型。面向创新的SET理念传统的“科学技术”一词我有幸发明了许多新的方法，发现了各种新现象。在我看来，在每一种研究和发展中，都有三个正交的概念，即科学、工程和技术。科学、工程和技术图3. ※以人为本的未来城市理念。自17世纪以来，文化（包括艺术）在不同的领域得到了某种程度上独立的发展。考虑一下科学的词干，scie，来自古希腊语skei，意思是分裂或分裂。“科学”的本义是通过还原来认识和理解自然。工程学的词干，gin，来自古希腊词gen，意思是生育。因此，“工程”的本义是创造人类的人工制品。techn这个词来源于古希腊语tekhne，意思是制造或模仿自然存在。tekhne的意思和拉丁文ars的意思一样，我们从ars中得到了“arts”。因此，技术的本义与艺术的本义是相似的。我必须强调，人类在科学领域的活动与道德无关。然而，工程中的人类活动应该高度关注伦理。全球变暖和核弹悲剧都是人为的结果，即基于人类决策的工程结果。人的安全和福祉的等级结构我从以人为中心的角度修改了马斯洛的需求层次（图4）。第一层是最基本的，由能量和熵组成。这一层与生命所需的空气、水和营养有关。第二层是安全性，如安全和各种生存保障;第三层是社会性，如人际关系和生命繁衍。这三个基本层面都与所谓的“衣食住行”需求有关。第四层和第五层位于金字塔的顶端，与人类的思维和精神状态密切相关，包括文明、文化和满意度等概念。在下面的三个层次中，幸福与成就感成正比。然而，在上面两层，幸福并不一定与金钱和物质繁荣成正比。虽然物质价值观在发展人类生存状态中很重要，但精神价值观在高度发展的状态中变得更加以人为本的未来城市当我们考虑一个以人为中心的未来城市时，我们必须考虑能源生产和熵处理，H.※小泉未来城市的愿景（特别讲座）。日立论坛，大连，2012意见和评论284工程第1卷·第3期·2015年9www.engineering.org.cn物理观点这两个因素分别与热力学第一定律和第二定律密切相关。能量和熵的扩展概念分别包括物质和信息的质量。因此，我们必须以跨学科的方式考虑这些基本因素城镇整体集群的一个基本要求是医疗、教育、物流和交通、食品生产等资源的优化配置，以及能源生产和熵处理。整体城市群的新型城镇化历史上，城镇或城市是由于城堡、寺庙、市场或港口等聚集人们的事物的存在而自然形成的人口的增加成为城市扩张的动力。接下来，大城市往往会产生卫星城和城镇，导致进一步扩张。城市设计师和城市规划师经常致力于发展和改革城市地区。堪培拉市是一个例外，这个渐进的城市发展过程中，因为它是人为建造的，从一开始-图4.人的安全和福祉的等级结构改编自“马斯洛的需要层次”从身体和精神的观点。图5.※城市群整体系统的概念。宁是澳大利亚的首都。该建筑始于1913年，并于1988年随着国会山新议会大厦的完工而几乎结束。堪培拉的历史向我们展示了规划和建造一座人造城市的困难。我曾与许多建筑师、城市/景观设计师和开发商进行过讨论，包括堪培拉、新加坡等地的设计师。然而，几乎没有一个主要的建筑师或城市规划师致力于设计城镇和城市的整体集群，并优化整个城市之间的互连（图5）。这是城市设计中的哥白尼式变化，因此需要一个新的SET领域。这种想法在重建在意外的大海啸中消失的城镇时是必要的。特别是，它可以应用于中国准备进行的新型城市化试验，称为神经代谢城市化新概念自然界，包括人类，由两个部分组成：能量/物质和熵/信息。我把这种观点称为“物理二元论”或“现代二元论”，它基于两个基本的自然定律，即热力学第一定律和第二定律，即能量守恒和熵增加。通过物理二元论，可以从人的生命系统中导出一种创造整体城市群的方法论的新概念。与建筑构造学中的“新陈代谢”概念相比，我把这个概念称为“神经代谢”。我想再次考虑优化整体城市群的基本层面的物理方面;换句话说，能量/物质和熵/信息之间的关系。由薛定谔阐明的系统保留时间的方程暗示了可持续性的更深的含义。根据薛定谔，系统保留时间（tt=τ exp（E/kT）式中，τ= 10图6. ※※整体城市群的新型城市化理念。H.※小泉未来城市的愿景（特别讲座）。日立论坛，大连，2012※※在国家发改委2013年中国国际城市化论坛上讨论H.小泉未来城市的愿景（特别讲座）。日立论坛，大连，2012意见和评论www.engineering.org.cn第1卷·第3期·2015年9月工程285T是绝对温度。热力大引擎从物理学的角度来看，地球生物圈是由一个巨大的热力发动机驱动的，它是由太阳表面5800 K的高温和宇宙3 K的低温形成的。地球从太阳接收高能低熵的光子，并向宇宙发射低能高熵的光子。生物圈中的所有生命都与这台巨大的热力发动机相连。生命，包括人类，可以被定义为一个自我重组的系统，通过能量和熵处理来运作。元古宙和古生代的生命演化图7描绘了化石中生命的进化蓝藻在进化的早期就出现在地球上，3.45亿年前它们把氧气带到地球的大气层，形成了叠层石化石。接下来，在埃迪卡拉纪之后的寒武纪出现了三叶虫。在德望期，有1万多种三叶虫进化出来，但都消失了.三叶虫进化出精确的多眼;这些眼睛是第一个有效的环境信息探测器。由于三叶虫的两只眼睛是由方解石形成的，我们甚至可以在化石中清楚地看到它们。动物进化的开端给了我们在对人性的思考上有很多启示。从信息的角度看生命的进化图8从信息的角度展示了生命的进化。自真核生物进化以来，适应周围环境或环境变化的信息已经作为遗传信息积累在基因组中。然后，中枢神经系统经过数亿年的进化。人类处理信息的中枢神经系统，主要是大脑，远远超过图7.元古宙和古生代的生命演化。照片由H。小泉通过他们的基因信息。例如，高度进化的前额叶皮层可能负责人类的尊严概念。大脑信息处理系统的进化人类大脑是从中心向外进化的（图9）。脑干的形状，大脑的中心部分，看起来像早期进化的爬行动物大脑。边缘系统是大脑的下一个进化部分。高度进化的人类新皮层与智力或推理有关，而人类边缘系统与情感有关。对人类大脑结构的理解是创造以人为中心的整体城市群的重要因素。人类和黑猩猩的区别人类和黑猩猩之间存在着巨大的差异。在与包括灵长类研究者在内的许多学者和科学家合作后，我们提出了以下关于人类与其他生命形式区别的假设※：(1) 具有基于层次语法的语言能力;(2) 制造和使用复杂的工具;(3) 教育后代;图8.从信息的角度看生命的进化。图9.大脑信息处理系统的进化。H.※小泉大脑的科学史东京：角川出版社，2011年意见和评论286工程第1卷·第3期·2015年9www.engineering.org.cn(4) 有高层次的情感，如同情或仇恨;(5) 对未来有清晰的概念。语言的进化大大加速了人类大脑的信息处理过程。人类可以使用语言和符号进行思考，这些语言和符号涵盖了从过去到未来的漫长时间跨度。只有人类才能创造未来人类甚至在潜意识中就可以使用语言进行信息处理，从而使大脑除了人类以外的动物只有一个简单的未来，而人类既有一个简单的未来，也有一个意志的，或有意识地选择的未来。这种意志的未来使我们能够规划和优化整体的未来城市群，以实现人类的安全和福祉。舒适/不适的生存概率所有的动物--从原始动物到人类--都是根据舒适/不舒适的感觉来行动的。我们相信舒适/不适的感觉就像一个生存指南针，指导我们如何行事。选择一个更舒适的环境提高了我们的生存概率。舒适的温度对健康有益;良好的气味导致营养;性快感导致物种的保存（图10）。产生幸福感在动物研究中，纹状体是一个奖励系统，特别是在预测方面。如果事先在动物大脑中做出奖励预测，动物就会以某种方式行为以获得奖励。即使在猴子的情况下，提前预测时间之前，得到奖励图10.舒适/不舒适基础奖励系统的生存概率※。在实验中观察到的时间短：小于20秒。然而，人类可以提前几年预测各种奖励。例如，如果一个人相信，通过努力工作，一年后他将能够买一栋漂亮的房子，那么他的工作可能会因为预期回报而变得令人愉快。这相位是人类所独有的，并导致了感受快乐的机制。社会奖励激活纹状体最近，作为我们国家计划的一部分，国立生理学研究所的Sadato教授的小组发现，当受试者被高度评价为社会尊重的人时，纹状体明显被激活（图11）。在人类中，这个区域的反应类似于猴子无创性脑功能成像技术进展无创性脑功能成像的最重要和最困难的问题是必须同时满足两个相互矛盾的要求。一个要求是减少人体组织和照射的探测光子之间的相互作用。另一个是获得足够好的信噪比（SN），以产生具有高时空分辨率的图像。只有最高质量的技术才能解决这个问题。我们努力开发各种新技术为了解决这个问题，并提交了许多MRI领域的专利文件（图12）。我们还在1992年开发了一台功能性磁共振成像（fMRI）机器，然后开发了光学地形图，随后成功地获得了高阶大脑功能的图像。这种方法可以在自然条件下测试受试者。我们在1995年发表了世界上第一篇关于光学地形学的论文。在光学拓扑学中，将直径为1 mm的柔性光纤放置在头皮上的发根之间。近红外光进入大脑，受到神经元活动诱导的氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白和总血红蛋白浓度变化的影响。光子路径图11. 纹状体被社会奖励激活。（a）纹状体中的尾状核;（b）纹状体中的壳核。H.※小泉，JST研讨会，2008年。H. 小泉大脑的科学史东京：角川出版社，2011年N.Sadato's Group，NIPS.日本儿童研究（JCS），RISTEX/JST。区域总监：H. Koizumi; K. Izuma，D. N.Saito，N. Sadato，Neuron，2008意见和评论www.engineering.org.cn第1卷·第3期·2015年9月工程287图12.磁共振成像（MRI）/磁共振血管造影（MRA）（作为示例，由Hitachi，Ltd.于1990年开发的MRH-500）。是通过蒙特卡罗模拟计算出来的例如，光学地形图可以为我们提供书写过程中大脑活动的图像。在布罗卡区和韦尼克区都可以看到激活。位于左额叶的布罗卡光学地形图检查在精神病诊断中的应用自1996年以来，我们一直致力于与精神科医生合作实现精神疾病的诊断工具。近年来，临床精神病学取得了显著进展。2011年，《自然》杂志将这种诊断方法作为其新闻专题报道，标题为《神经科学：思维实验》（Feature News，Nature，2011，第269卷）。在强调这种新方法的重要性的同时，《自然》杂志还指出，临床结果的数量仍然不足。然而，到那时已经进行了大型的医院间检查，并且在文章发表后不久就报告了大数据。日本政府已经正式批准将这种光学地形图测试作为精神科医生的诊断支持工具，以区分抑郁状态患者的抑郁症、双相情感障碍和精神分裂症疾病的诊断。精神问题在城市生活中非常重要，因为它们是城市居民精神压力的常见来源。世界上居住在城市地区的人口超过50%。在规划和建设未来城市的新的整体集群时，解决城市生活压力所造成的心理问题必须是一个主要考虑因素。结论(1) 人类安全和福祉工程的概念可能是工程未来的一个关键问题。在这里，科学、工程和技术之间的密切合作必须成为未来的关键。(2) 新型城镇化可以成为人类生活的一个重要平台.在这里，城市群整体的系统优化就显得尤为重要。(3) 人类只能是一个能够考虑未来的物种。我们必须为人类安全和福祉规划一个可控的更美好未来。(4) 伦理在工程活动中比在科学活动中更重要。