第一部分 運(yùn)動(dòng)

一 仿生人制作仿生人

復(fù)制人類的行動(dòng)方式

生物物理學(xué)家休·黑爾是一名登山神童，七歲就開始攀巖，年僅十七歲便征服了“超級(jí)裂谷”--東北地區(qū)難度最大的攀登地點(diǎn)， 是當(dāng)之無愧的“奇跡男孩”。

1982年1月，黑爾與搭檔杰夫·巴特爾一同出發(fā)登上新罕布什爾州的華盛頓山。距離山頂1100英尺時(shí)天氣驟變，他們?cè)诒╋L(fēng)雪中迷失了方向。為期一天的短途旅行由此變成了長達(dá)三天的困難求救。救援人員發(fā)現(xiàn)時(shí)，他們已經(jīng)遭受了低溫凍傷，醫(yī)生不得不將黑爾膝蓋以下的雙腿進(jìn)行截肢。

黑爾的第一副假肢十分僵硬，很不舒服，但他仍將使用假肢的墻壁攀巖模式來鍛煉。1982年夏天，他再次使用新的假肢攀巖。

但即使用了新設(shè)計(jì)，黑爾用假肢行走時(shí)仍會(huì)因?yàn)椴羵纯嚯y忍，因?yàn)榧僦狈δ_踝和腳腱之間的天然緩沖，因此黑爾決定自己制作減緩疼痛的假肢。巴特爾向他介紹了一名叫巴瑞·戈斯尼揚(yáng)的假肢醫(yī)生，醫(yī)生同意提供幫助。同年秋天，黑爾被米勒斯維爾大學(xué)錄取。畢業(yè)之前，黑爾與戈斯尼揚(yáng)共同設(shè)計(jì)并申請(qǐng)了帶有充氣氣囊的軟墊插槽，以減少假肢引起的疼痛擦傷。畢業(yè)之后，黑爾在麻省理工學(xué)院（MIT）繼續(xù)攻讀機(jī)械工程碩士學(xué)位。

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將人體看作一個(gè)簡單的滑輪系統(tǒng)，就像我們用來操控木偶的牽線系統(tǒng)一樣。骨骼塑造身體形狀，而肌肉和肌腱則則是使骨骼活動(dòng)的輪滑和拉繩，韌帶和肌腱將它們固定在一起。骨骼、關(guān)節(jié)、肌腱和肌肉協(xié)同運(yùn)動(dòng)，共同產(chǎn)生、儲(chǔ)存和釋放能量，用于人體活動(dòng)、行走、跑步和負(fù)重等。

幾個(gè)世紀(jì)以來，羅馬人一直使用牛頸的肌腱作為彈簧來產(chǎn)生彈力，也有人使用由跟腱制成的編織繩索。但直到20世紀(jì)50年代，人們才了解到肌腱在動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)中起著至關(guān)重要的作用。

20世紀(jì)50年代，米蘭大學(xué)的生理學(xué)家Giovanni Cavagna認(rèn)為腿部活動(dòng)就像彈簧一樣。腿內(nèi)的“彈性反沖能量”可提供額外的彈力，為每個(gè)步幅提供一半的能量，但他并不明白這些彈簧的運(yùn)作原理。這個(gè)謎團(tuán)是由英國動(dòng)物學(xué)家麥克尼爾·亞歷山大解開的，他發(fā)現(xiàn)兩條肌腱，即跟腱和足弓中的肌腱，就像彈簧一樣，為人類走路或跑步提供單個(gè)步伐的一半能量。

這些發(fā)現(xiàn)對(duì)黑爾和其他修復(fù)假肢設(shè)計(jì)的研究人員來說至關(guān)重要。在人類正常的腿部，肌腱和肌肉可以來回移動(dòng)，儲(chǔ)存并釋放能量。借助無生命的假體行走既低效又耗力，著是因?yàn)闆]有肌腱或肌肉來獲取和回收能量。

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在麻省理工學(xué)院攻讀研究生兩年后，黑爾打造了“蜘蛛俠套裝”并再次進(jìn)行攀墻，而且借此對(duì)彈性橡膠彈簧的能量儲(chǔ)存和釋放進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。接下來，他設(shè)計(jì)了一款跑鞋，用一條碳帶連接前后兩個(gè)彈簧——一個(gè)在腳后跟，一個(gè)在腳趾。他不停地實(shí)驗(yàn)，直到確定放大能量的最佳彈簧位置。這種方法不僅可以提高速度，降低跑步的代謝成本，而且還可以減輕施加在關(guān)節(jié)上的力。黑爾將這款鞋推薦給耐克，耐克便聘請(qǐng)了哈佛大學(xué)的生物力學(xué)領(lǐng)域?qū)＜彝旭R斯·麥克馬洪來對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。雖然耐克最終拒絕了該產(chǎn)品，但麥克馬洪卻對(duì)此印象深刻。他鼓勵(lì)黑爾參加他在哈佛大學(xué)的課程，并最終成為黑爾的博士生論文導(dǎo)師。獲得博士學(xué)位后，黑爾成為了麻省理工學(xué)院的教授，領(lǐng)導(dǎo)麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室的生物機(jī)電學(xué)研究小組。此后，他開始利用動(dòng)作捕捉和計(jì)算機(jī)分析來設(shè)計(jì)仿生肢體。

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20世紀(jì)90年代，麥克馬洪的一名學(xué)生克萊爾·法利表明，人的腳踝是調(diào)節(jié)整個(gè)腿部僵硬度的主要關(guān)節(jié)。腳踝通過改變硬度和彈跳來控制人體行走或跑步的力量和速度。為了探究小腿的不同組成部分如何相互作用，黑爾建立了數(shù)學(xué)模型并設(shè)計(jì)了一個(gè)機(jī)器人假體，將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)。每個(gè)機(jī)器人的腿都有三個(gè)像指甲一樣大小的電腦。計(jì)算機(jī)接收傳感信息，然后運(yùn)行控制電機(jī)系統(tǒng)和機(jī)械肌腱執(zhí)行器的算法，從而助力使用者行走、站立和跑步。最大的障礙是自動(dòng)為機(jī)器人供電。黑爾的原始原型需要重型電子設(shè)備來放大來自墻壁插座的電力。

最終，黑爾通過模仿跳蚤儲(chǔ)存和釋放能量找到了解決方案。通過逐漸將能量輸送到肌肉的纖維結(jié)構(gòu)中，跳蚤可以以比肌肉產(chǎn)生的速度大100倍的速度加速，然后立即釋放儲(chǔ)存的能量以產(chǎn)生爆炸性上升力。通過將能量緩慢地饋送到彈簧系統(tǒng)中，電池可以自動(dòng)地為假體中的小型電動(dòng)機(jī)供電。

對(duì)于強(qiáng)化機(jī)體的設(shè)備而言，最具挑戰(zhàn)性的瓶頸是如何構(gòu)建一個(gè)既節(jié)能又輕便且實(shí)用性強(qiáng)的設(shè)備。目前，大多數(shù)機(jī)器人的手臂與機(jī)體的能量效率不匹配。為了將仿生手臂設(shè)計(jì)成自然人體手臂的尺寸和重量規(guī)格，工程師必須犧牲其他功能，其中就包括力量。

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黑爾已經(jīng)對(duì)身體運(yùn)動(dòng)的方式進(jìn)行了逆向工程處理，并利用該技術(shù)模擬自己失去的雙腿。實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅改變了他的生活，而且也改變了無數(shù)人的生活。 2014年，他在麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種外骨骼——一種包裹肢體的機(jī)器人——可以穿在衣服外面，使用戶能夠在跑步或行走時(shí)消耗更少的能量。外骨骼可以通過減少行走、負(fù)重或是跑步所需的能耗來恢復(fù)或增加耐力、力量或速度。

如今，黑爾成為了世界領(lǐng)先的假肢設(shè)計(jì)師之一，致力于為殘疾人恢復(fù)功能并增強(qiáng)非殘疾人的體能。他相信未來人們會(huì)穿著仿生系統(tǒng)，從而跑得更快，跳得更高，負(fù)荷更重。

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