Хоть она все время спит на диване и совсем не тренируется в беге.
Я вырос в деревне, и мне часто докучали наглые соседские коты. Они воровали еду, дрались с нашими кошками, а когда я бросался за ними в погоню, легко удирали, не особо напрягаясь. В детстве я списывал это на тот факт, что из меня паршивый бегун. Оказалось, что будь я хоть тренированным ямайским спортсменом Усэйном Болтом, который бежит стометровку за рекордные 9,58 секунды, ничего бы не поменялось.
Недавно наткнулся на любопытное научное исследование, на которое ссылается The Wired. Не я один ломал голову над тем, почему человек бежит так медленно. Группа ученых из Штутгартского университета, возглавляемых биомеханистом Михаэлем Гюнтером, постаралась объяснить, что определяет скорость животного в природе. В исследовании, опубликованном в Журнале теоретической биологии (ссылка на него тут), они презентуют сложную модель с разными переменными (размер тела, длина ног, плотность мышц и множество других параметров). Мне это исследование интересно не только с точки зрения биологии, но и с точки зрения робототехники. Факторы, влияющие на скорость перемещения тела, в частности, внимательно изучают мои любимые ребята из Boston Dynamics.
Основная идея была в том, чтобы определить, какие факторы среды ограничивают максимальную скорость тела. Первый – это сопротивление воздуха, которое действует на каждую конечность животного, двигающую тело вперед. Именно этот фактор ограничивает скорость мелких животных, поскольку эффекты сопротивления не растут с ростом массы. «Если бы вы были бесконечно тяжелыми, вы бы бегали бесконечно быстро, в соответствии с воздушным сопротивлением», — говорит соавтор исследования, математик из Университета Кобленц-Ландау Роберт Рокенфеллер.
Так бы и было с крупными животными, если бы не второй фактор – инерция, то есть сопротивление объекта ускорению от состояния покоя. Вот она растет вместе с массой. При беге промежуток времени, когда животное может ускориться (то есть, быстрее отрывать конечности от земли) увеличивается, чем больше вес тела.
Интересно, что золотая середина для преодоления сопротивления воздуха и инерции – это примерно 50 килограммов. Получаем средний вес гепарда и вилорога.
Ученые, исходя их этих двух параметров, смогли вычислить среднюю скорость для различных форм организмов, приведя их к общему знаменателю по массе – 100 килограммов. Домашняя (стокилограммовая!) кошка по этой модели бежала бы со скоростью 74 километра в час, гигантский паук – 56 километров в час, а человек – 38 км/ч.
Но масса не единственная деталь, отвечающая за увеличение скорости тела. В модели Михаэля Гюнтера с коллегами имеет значение и длина конечностей. Животные с более длинными конечностями могут толкать свои тела на большее расстояние.
И тут бы можно было спросить: а разве у людей самые короткие конечности? Подлиннее, чем у гепарда. Да, но на нашу скорость влияет расположение наших тел. Для поддержания вертикального баланса мы имеем жесткую конструкцию позвоночника. Его основная цель – поддержание баланса в ущерб скорости.
Некоторые прошлые исследования доказывали, что скорость связана также с метаболизмом животного. Процессом, который преобразует питательные вещества в топливо, которое хранится в мышечных волокнах. Ученые из Немецкого центра интегративных исследований биоразнообразия обнаружили, что это топливо заканчивается быстрее у более крупных животных, поскольку им требуется больше времени, чтобы ускорить свое более тяжелое тело. Это то, что называется мышечной усталостью.
Но исследование Гюнтера ставит эту гипотезу под сомнение. По его модели, любое животное может разогнаться по меньшей мере до 90% своей максимальной скорости до того момента, как в мышцах закончится топливо. А значит мышечная усталость не ограничивает скорость передвижения.
Гюнтер и Рокенфеллер считают, что представили всеобъемлющую модель движения, а ее проверка – удел других ученых. Но их коллеги уже отмечают, что это будет непростой задачей. Для подтверждения правильности модели придется ловить животных, вживлять в них датчики и наблюдать за их движением в естественной среде. Но это вызывает серьезные логистические и этические проблемы.
И тем не менее, появление первых механических моделей передвижения животных для меня процесс, сопоставимый с ключевыми открытиями в области квантовой физики. Результативная модель может дать мощный толчок развитию робототехники и приведет к появлению механизмов, которые (используя конечности) смогут обгонять колесных собратьев. Как я уже писал в своих предыдущих публикациях, преимущества механизмов на конечностях очевидны – они могут передвигаться по таким маршрутам, где использование колес просто невозможно.
