新的外骨骼将利用人体平衡的微妙解剖结构

我20世纪80年代，生物工程师诺姆·赫格伦德在肯尼亚进行实地考察，希望揭开运动的秘密。那是一场不错的演出。赫格伦德和他的团队每天都在肯尼亚的国家公园用麻醉飞镖射击野生动物，然后把它们拖回东非兽医研究组织(East Africa Veterinary research Organization)在附近的穆古加(Muguga)运营的一个研究站进行测试。

每天，当地同事的妻子都会来实验室闲聊。他们头顶上完美平衡地扛着一大捆食物、衣服或其他物资。在他入住几周后的一次午休中，他意识到了一些事情。

“这不是一堆小货，”赫格隆德在我为我的新书与他谈话时告诉我，《健美者:工程人类的科学内幕》. “他们头上的负荷很大，这真是太神奇了。我们有所有这些测量耗氧量的设备，所以我们想，‘见鬼，这是一个机会！让我们来测量一下这些女性消耗了多少氧气。’”

赫格伦德对他的发现感到惊讶。当她们在跑步机上行走时，她们的头部能够承受相当于自身体重20%的负荷零额外的代谢消耗。这似乎不需要任何额外的努力。此外，在额外的代谢成本下，这些女性的头部能够承受60%甚至80%的体重。

赫格隆德将铅锤绑在自行车头盔上，想看看自己能否复制这一壮举。这对他的脖子造成了如此大的压力，他和他的西方同事觉得他们无法安全地承受超过自己体重15%的重量。他回忆道:“如果你保持头部垂直并保持直线，那还可以，但如果你只是有点失去平衡，那感觉就像是要折断你的脖子。”

这个谜团的答案与女人们头顶重物行走时的复杂钟摆运动有关。

当肯尼亚妇女站在跑步机上，戴着测量她们呼出二氧化碳量的面罩，不管她们的头上是否没有负载，或者如果她们不动，头上是否有很大负载，她们似乎都没有消耗更多的能量。事实上，仪器上的线路是如此平坦，以至于Heglund怀疑线路是否断了，直到他让这些女性开始行走，消耗的能量迅速增加。

赫格伦德意识到只有一个结论:与我们其他人不同，非洲女性是用身体的结构成分来支撑负重，而不是新陈代谢身体的组织。他们在骨头上完美地保持平衡，没有任何肌肉、肌腱或支撑结构的帮助。赫格伦德指出，随着时间的推移，非洲妇女的骨骼和身体已经调整到以最有效的能量方式完美地支撑头部重量。这个结构已经调整过了，所以它以一个理想的形状排列，以保持重量远离肌肉。

肯尼亚妇女的适应能力也使她们能够在消耗较少能量的情况下行走。在随后的实验中，赫格伦德将他们的代谢过程与美国陆军在20世纪80年代早期进行的一项大型研究中的数据进行了比较。在这项研究中，科学家测量了数百名背着沉重背包的新兵的代谢成本。以最慢的步行速度(几乎是爬行)，美国陆军男性新兵可以以更低的代谢成本——比肯尼亚女性更省力——搬运重物。但一旦他们加快速度，这种优势就消失了。事实上，在高速度下，当负重增加到体重的60%时，肯尼亚女性几乎有两倍的优势。

赫格伦德对他的数据很感兴趣，于是在过去的几年里，在富布赖特奖学金和美国军队的资助下，赫格伦德又两次回到肯尼亚，想弄清楚是什么原因让这些妇女能够行走。他发现，这个谜团的答案与女人们头顶重物行走时的复杂钟摆运动有关。

年代科学家们几十年前就知道，当人类行走和奔跑时，我们会回收能量。当我们跑步时，像弹簧一样的肌腱受到冲击而压缩，储存弹性能量。当我们的脚离开地面时，肌腱像一个盘绕的弹簧一样释放能量，推动我们向上和向前，进入下一个跨步。Heglund解释说，从本质上讲，我们像篮球一样弹跳。

与此同时，小腿肌肉的收缩和拉长主要是为了调节僵硬度，有效地充当了跟腱的体积开关。肌肉越僵硬，对肌腱的拉扯就越多，这就影响了肌腱缠绕的紧密程度。例如，想想我们在慢跑时是如何处理水坑的。为了调整我们的步伐，我们弯曲，使小腿肌肉变硬，收紧肌腱，让我们走一个短的结巴步，让我们走得短。然后我们释放所有储存的能量，跃过水面。

如果我们跑步时弹跳，那么当我们走路时，我们的腿保存能量的方式就像一个钟摆的摆动，另一个巧妙设计来保存和循环能量的人造装置。在走路时，就像一个钟摆一样，腿在交替移动，当它向上推反重力时，消耗了能量，失去了速度;当它向下推时，又重新获得了能量、动量和速度，当同样的重力使它上升时减速，现在又推动它前进。据估计，当我们走路时，从腿部释放的这种循环能量占每一步推进力的70%，只剩下30%由肌肉提供。

一个完美的钟摆，在不受阻碍的情况下来回摆动，将会保留它百分之百的能量——最初由重力向下的推力首先转化为势能，因为动量将一端的重量向上带至弧形的顶部。然后，能量被重力以相反方向携带的动能释放回来，直到到达弧线的顶部，重复这个循环。

然而，当我们大多数人以最佳速度行走时，我们在两个特定的点上每跨一步就会损失40%的能量：一个是在我们的步幅顶部，另一个是在我们的脚落地时的底部。非洲妇女经历了相同的动作。但是，当他们在身体上增加重量时，他们的步幅会以肉眼看不见的方式进行调整，使他们能够向前转移大约80%的能量。体重转移似乎更平稳，尤其是在步幅较低的时候。非洲妇女的骨骼和肌肉结构随着时间的推移进行了调整，以确保最有效地分配体重。

对我们大多数人来说，要发展出类似的骨骼适应性可能已经太晚了。赫格伦德得出结论，这些非洲妇女的结构调整是在她们年轻时就开始日常负重练习多年之后才出现的。但是女性的教训并没有消失。通过理解、测量和利用我们骨骼的组成部分对齐的方式，将重量通过我们的身体转移到地面，新一代的工程师正在开发人造外骨骼，为残疾人提供新的移动能力，并增强健全人的能力。

例如，总部位于加利福尼亚州的Ekso Bionics公司开发了一种外骨骼，其中包含一系列复杂的传感器，可以监测用户体重的细微变化，然后使用复杂的数学模型来说明钛框架应该如何移动以平衡负载，并帮助用户以最少的努力向前移动。它的设备是第一个授权的机器人外骨骼，帮助那些遭受中风或脊髓损伤的人恢复活动能力。使用这种装置，不久的将来，我们中的其他人很可能能够以最小的努力携带数百磅。你可能已经想到了更多的方法来使用多余的肌肉。

亚当·皮奥雷是这本书的作者健美运动员：科学中的工程人体这本书于今年3月出版。在推特上关注他@adampiore．

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