Человек 2.0. Перезагрузка

Пиорей Адам

Эта же команда ученых выделила и другой тип движений, необходимый для ходьбы. Если при беге мы словно бы подпрыгиваем, как баскетбольный мяч, то при ходьбе наше тело сохраняет энергию скорее как качающийся маятник – еще одно рукотворное устройство, остроумно сконструированное для накопления и преобразования энергии. Точнее, при ходьбе наше тело действует как перевернутый маятник: туловище играет роль груза, закрепленного на нити, а нога играет роль собственно нити. Как и в случае обычного маятника, при ходьбе центр масс нашего тела то поднимается, то опускается, ускоряясь и замедляясь при каждом шаге. Нога при этом также совершает ритмические движения, расходуя энергию и теряя скорость, пока конечность идет вверх, преодолевая силу земного притяжения, и снова приобретая энергию, импульс и скорость на пути вниз, когда те же гравитационные силы, которые замедляли ее на пути вверх, толкают ее вперед. По оценкам Каваньи, этот силовой цикл, движимый гравитацией, обеспечивает до 60–65 % энергии, направляющей вперед каждый наш шаг при ходьбе, так что на долю мышц остается всего 35–40 % [8] .

8

В 80-е

годы Хеглунд отправился в Кению, чтобы в полевых условиях заняться изучением крупных африканских животных (на которых частенько охотятся во время сафари). Однако наиболее интересные находки он сделал благодаря изучению местных женщин, способных переносить очень тяжелые грузы на голове. (Хеглунду пришла в голову мысль заняться такими исследованиями, когда однажды в обеденный перерыв несколько жен его местных лаборантов принесли еду для своих мужей.) Идя по дорожке бегового тренажера, эти женщины смогли нести на голове тяжесть, равную 20 % их собственного веса, и это не стоило им никаких дополнительных метаболических затрат. Если же организм шел на такие затраты, эти женщины могли переносить на голове груз, масса которого составляла 60 %, а иногда и 80 % веса их тела. Когда кенийки стояли на дорожке тренажера неподвижно, для их организма не имело никакого значения, имеется ли у них на голове какой-то груз, пусть даже очень большой. Казалось, когда они не двигаются, их организм не затрачивает никакой дополнительной энергии на поддержку груза. Хеглунд показал, что кости (и тела в целом) африканок со временем постепенно приспособились к тому, чтобы идеально поддерживать вес головы (и того, что на ней) наиболее эффективным способом с точки зрения расходования энергии. Возникла особая структура, выстроенная так, чтобы груз как можно меньше давил на мышцы. В ходе последующих экспериментов Хеглунд сравнил метаболические процессы этих женщин с данными чрезвычайно масштабного исследования, проведенного в американской армии: ученые измеряли метаболические затраты сотен новобранцев на переноску рюкзаков на спине. Как выяснилось, небольшие рюкзаки новобранцы-мужчины могли нести с меньшими метаболическими затратами (а значит, и прилагая меньше усилий), чем кенийки, которых изучал Хеглунд. Однако при повышении нагрузки это преимущество военных исчезало. Когда вес груза достигал 60 % массы тела, жительницы Кении несли эту тяжесть почти вдвое эффективнее бойцов. Заинтригованный этими данными, Хеглунд в течение нескольких лет еще дважды возвращался в Кению (он мог не беспокоиться о финансировании этих поездок благодаря Фулбрайтовской стипендии и грантам, полученным от американской армии), чтобы понять, какие же особенности механики организма дают возможность кенийкам так эффективно переносить тяжести. Он выяснил, что разгадка тайны – в маятникообразных движениях женщин, идущих с грузом на голове. Идеальный маятник, качающийся взад-вперед без всяких помех, сохраняет 100 % своей энергии: первое движение вниз под действием гравитации сначала преобразуется в потенциальную энергию по мере того, как под действием этого импульса груз, прикрепленный к нити маятника, движется по направлению к верхней точке дуги, которую этот груз описывает. Затем эта энергия высвобождается как кинетическая, и гравитация устремляет груз в противоположном направлении. Он снова достигает высшей точки (уже с другой стороны), и весь цикл повторяется. Но когда большинство из нас идет на оптимальной для себя скорости, мы при каждом шаге теряем 40 % нашей энергии в двух точках – там, где нога занимает самое верхнее положение, и там, где ступня соприкасается с землей. Африканки движутся точно так же, но, когда они добавляют в эту систему дополнительный груз, их походка определенным образом меняется (хотя сами женщины не могли этого объяснить, да и изменения не видны невооруженным глазом), тем самым позволяя им расходовать около 80 % энергии на движение вперед. Груз при этом, казалось, движется более плавно, особенно в низшей точке шага (когда нога соприкасается с землей). Когда женщины шли с грузом, лежащим на верхней части тела, их тело перестраивало эту схему так, чтобы нагрузка эффективно распределялась и чтобы человек мог двигаться вперед с минимальными усилиями.

* * *

Работы Каваньи, Тейлора и Хеглунда позволили дать научное объяснение тому, чего не хватало старомодным протезам Хью Герра. В нормальной ноге сухожилия и мышцы тела образуют хитроумную сеть, способную передавать энергию туда-обратно, накапливать и высвобождать ее. Когда Герр ходил на своих безжизненных подпорках, не могло быть и речи о каких-то имеющихся в них мышцах или сухожилиях, которые захватывают и перерабатывают энергию: эти штуки просто висели на нем мертвым грузом. Разумеется, вскоре осознание этого факта сыграло важнейшую роль в усилиях Герра и его коллег по коренному преобразованию сферы дизайна протезов.

Однако, приступив к изучению основ биомеханики, Герр тут же задался еще одним вопросом: может ли он использовать эти открытия для того, чтобы еще лучше взбираться на вертикальные поверхности?

В один ясный день, года через два после завершения своих аспирантских штудий в МТИ, Герр добрался до знаменитого колорадского каньона Эльдорадо, расположенного близ Боулдера, в иззубренных предгорьях Скалистых гор. Он был в отпуске. На нем был облегающий спортивный костюм из черной лайкры. Его ляжки балансировали

на паре коротеньких металлических стержней, прикрепленных к ступням младенческого размера. Но больше всего в его облачении бросалось в глаза то, что змеилось из флуоресцентной желтой скалолазной укладки, опоясывающей его тело.

Вместо обычных страховочных тросов и металлических зажимов, которые использует большинство скалолазов, Герр присоединил к своей «упряжи» длинные эластичные нити, похожие на сплетенные в косички резиновые полоски. Другие концы нитей он закрепил на внутренней части рук, ближе к плечам. Он назвал этот наряд «костюмом Человека-паука». Для тех, кто все-таки не обратит внимания на эту супергеройскую тему, Герр внес в свое восхождение еще один элемент: он стал подниматься на отвесную скалу без всяких страховочных веревок.

Всякий раз, когда смельчак тянулся вверх в поисках новой опоры для руки, паутина резинок, соединяющих его трицепс с упряжью, натягивалась подобно набору синтетических сухожилий, заставляя его преодолевать это сопротивление с помощью трицепса и мышц спины. Эта паутина создавала дополнительное сопротивление и для пальцев, когда он раскрывал ладонь и тянул руку вверх, чтобы ухватиться за подходящий выступ или выемку. Вся потенциальная энергия, получаемая таким образом, накапливалась в его костюме Человека-паука благодаря искусственным сухожилиям, вытягивающим энергию из тех групп мышц, которые обычно пребывали в праздности во время восхождений Герра.

А затем, когда Герр подтягивался вверх, используя уже другую группу мышц, эластичная паутина постепенно отдавала накопленную энергию, помогая ему подниматься и вдвое уменьшая нагрузку на его плечи и бицепсы. Вскоре Герр уже оказался на высоте шестиэтажного дома.

На видео, которое было тогда снято, можно увидеть его партнера, никакого не инвалида, пытающегося угнаться за Герром, который первым достигает вершины и победно вскидывает кулак. Он по-прежнему был полон задора. И благодаря новым технологиям он развивал свои возможности еще дальше.

«Можно ли, присоединив к телу какой-то механизм, извлечь из тела больше работы, прежде чем оно устанет? – спрашивает Герр. – Я задался этим вопросом. Ответ – да. В сущности, вы как бы удваиваете мышечную массу, но общая нагрузка остается той же, поэтому вы можете сильно отсрочить наступление усталости. Попросту говоря, благодаря этому приему можно сделать человека вдвое сильнее».

У Герра возник и другой вопрос, на который его вдохновили приобретенные познания. Может быть, он сумеет использовать то, что известно о природных пружинах тела человека и других животных, для увеличения скорости бега? Чтобы это выяснить, он стал конструировать кроссовки нового типа. В каждой имелось по две пружины – на пятке и на носке. Герр соединил эти пружины углеродной полоской, идущей по всей длине подошвы обуви. Когда пятка бегуна ударяется о землю, пяточная пружина сжимается, накапливая потенциальную энергию. По мере того как ступня наклоняется вперед, постепенно перенося туда же вес тела, потенциальная энергия пяточной пружины распространяется под точками контакта стопы с землей, пока не достигнет носка. А затем, в тот момент, когда бегун отрывает носок от земли, передняя пружина отдает свою энергию, придавая бегуну дополнительный импульс, направленный вперед. Герр провел множество экспериментов и наконец определил оптимальные места размещения пружин для такого усиления энергии. Система позволяла не только увеличивать скорость бега и снижать метаболические затраты на бег, но и на целых 20 % уменьшать силу воздействия бега на суставы.

Герр предложил свои кроссовки компании Nike, которая отнеслась к его изобретению весьма серьезно, поскольку даже обратилась к гарвардцу Томасу Макмэхону, одному из тогдашних ведущих специалистов по биомеханике, чтобы он оценил идею. И хотя компания в итоге все-таки не стала заниматься этим продуктом, он произвел большое впечатление на Макмэхона. Так Герр нежданно-негаданно заполучил идеального наставника, способного вывести его творения на следующий уровень. В 1990 г. Макмэхон выстроил подробную физико-математическую схему, которая стала основой для всех дальнейших работ в этой сфере, поскольку сводила сложнейшую динамику человеческого передвижения в пространстве к довольно простым уравнениям, позволявшим делать точные предсказания насчет движения.

Макмэхон уговорил Герра записаться на курс, который он читал в Гарварде, а позже стал научным руководителем диссертации альпиниста. Макмэхон предложил не воспринимать все эти суставы, мышцы, сухожилия и связки ноги как отдельные детали, а рассматривать всю конечность как одну пружину. Благодаря такому подходу ахиллесово сухожилие и природные пружины свода стопы можно было считать просто звеньями единого прыгучего механизма. Метод сработал, поскольку, как и в случае цельной пружины, ту силу, которую развивает конечность, и степень сжатия конечности можно выразить через еще один упрощенный параметр – совокупную нагрузку со стороны различных частей тела, воздействующую на единичную точку в пространстве (и оказывающую на нее давление, направленное вниз или «вовне»). Физики называют эту штуку точечной массой.

Макмэхон показал: если известна точечная масса и угол, под которым, например, ступня соприкасается с землей, можно предсказать, сколько времени нога проведет на поверхности, прежде чем подскочить вверх, и насколько она при этом сожмется. Можно определить, с какой «взрывной» силой нога будет отрываться от земли и как центр масс движущегося человека будет перемещаться по воздуху между шагами. Верно и обратное: если измерить, сколько времени нога остается на земле между шагами, можно (узнав и некоторые другие параметры) рассчитать точечную массу.