第一部分 運動

一 仿生人制作仿生人

復制人類的行動方式

生物物理學家休·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“超級裂谷”--東北地區難度最大的攀登地點， 是當之無愧的“奇跡男孩”。

1982年1月，黑爾與搭檔杰夫·巴特爾一同出發登上新罕布什爾州的華盛頓山。距離山頂1100英尺時天氣驟變，他們在暴風雪中迷失了方向。為期一天的短途旅行由此變成了長達三天的困難求救。救援人員發現時，他們已經遭受了低溫凍傷，醫生不得不將黑爾膝蓋以下的雙腿進行截肢。

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。

但即使用了新設計，黑爾用假肢行走時仍會因為擦傷而痛苦難忍，因為假肢缺乏腳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·戈斯尼揚的假肢醫生，醫生同意提供幫助。同年秋天，黑爾被米勒斯維爾大學錄取。畢業之前，黑爾與戈斯尼揚共同設計并申請了帶有充氣氣囊的軟墊插槽，以減少假肢引起的疼痛擦傷。畢業之后，黑爾在麻省理工學院（MIT）繼續攻讀機械工程碩士學位。

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將人體看作一個簡單的滑輪系統，就像我們用來操控木偶的牽線系統一樣。骨骼塑造身體形狀，而肌肉和肌腱則則是使骨骼活動的輪滑和拉繩，韌帶和肌腱將它們固定在一起。骨骼、關節、肌腱和肌肉協同運動，共同產生、儲存和釋放能量，用于人體活動、行走、跑步和負重等。

幾個世紀以來，羅馬人一直使用牛頸的肌腱作為彈簧來產生彈力，也有人使用由跟腱制成的編織繩索。但直到20世紀50年代，人們才了解到肌腱在動物運動的生物力學中起著至關重要的作用。

20世紀50年代，米蘭大學的生理學家Giovanni Cavagna認為腿部活動就像彈簧一樣。腿內的“彈性反沖能量”可提供額外的彈力，為每個步幅提供一半的能量，但他并不明白這些彈簧的運作原理。這個謎團是由英國動物學家麥克尼爾·亞歷山大解開的，他發現兩條肌腱，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步伐的一半能量。

這些發現對黑爾和其他修復假肢設計的研究人員來說至關重要。在人類正常的腿部，肌腱和肌肉可以來回移動，儲存并釋放能量。借助無生命的假體行走既低效又耗力，著是因為沒有肌腱或肌肉來獲取和回收能量。

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在麻省理工學院攻讀研究生兩年后，黑爾打造了“蜘蛛俠套裝”并再次進行攀墻，而且借此對彈性橡膠彈簧的能量儲存和釋放進行實驗。接下來，他設計了一款跑鞋，用一條碳帶連接前后兩個彈簧——一個在腳后跟，一個在腳趾。他不停地實驗，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節上的力。黑爾將這款鞋推薦給耐克，耐克便聘請了哈佛大學的生物力學領域專家托馬斯·麥克馬洪來對其進行評估。雖然耐克最終拒絕了該產品，但麥克馬洪卻對此印象深刻。他鼓勵黑爾參加他在哈佛大學的課程，并最終成為黑爾的博士生論文導師。獲得博士學位后，黑爾成為了麻省理工學院的教授，領導麻省理工學院媒體實驗室的生物機電學研究小組。此后，他開始利用動作捕捉和計算機分析來設計仿生肢體。

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20世紀90年代，麥克馬洪的一名學生克萊爾·法利表明，人的腳踝是調節整個腿部僵硬度的主要關節。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，黑爾建立了數學模型并設計了一個機器人假體，將數學模型轉化為運動。每個機器人的腿都有三個像指甲一樣大小的電腦。計算機接收傳感信息，然后運行控制電機系統和機械肌腱執行器的算法，從而助力使用者行走、站立和跑步。最大的障礙是自動為機器人供電。黑爾的原始原型需要重型電子設備來放大來自墻壁插座的電力。

最終，黑爾通過模仿跳蚤儲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構中，跳蚤可以以比肌肉產生的速度大100倍的速度加速，然后立即釋放儲存的能量以產生爆炸性上升力。通過將能量緩慢地饋送到彈簧系統中，電池可以自動地為假體中的小型電動機供電。

對于強化機體的設備而言，最具挑戰性的瓶頸是如何構建一個既節能又輕便且實用性強的設備。目前，大多數機器人的手臂與機體的能量效率不匹配。為了將仿生手臂設計成自然人體手臂的尺寸和重量規格，工程師必須犧牲其他功能，其中就包括力量。

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黑爾已經對身體運動的方式進行了逆向工程處理，并利用該技術模擬自己失去的雙腿。實驗結果不僅改變了他的生活，而且也改變了無數人的生活。 2014年，他在麻省理工學院的團隊開發了一種外骨骼——一種包裹肢體的機器人——可以穿在衣服外面，使用戶能夠在跑步或行走時消耗更少的能量。外骨骼可以通過減少行走、負重或是跑步所需的能耗來恢復或增加耐力、力量或速度。

如今，黑爾成為了世界領先的假肢設計師之一，致力于為殘疾人恢復功能并增強非殘疾人的體能。他相信未來人們會穿著仿生系統，從而跑得更快，跳得更高，負荷更重。

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