Леван Чхаидзе - Формула шага

Еще в прошлом столетии И. М. Сеченов высказал поистине гениальную идею. Учитывая чрезвычайную сложность двигательного аппарата человека (и высших животных), большое разнообразие двигательных операций, он предположил и привел ряд доказательств того, что все управление движениями человека сводится, в сущности, к одному — к непрерывной, подчиненной строгому контролю коррекции хода перемещения звена, осуществляемой центральной нервной системой на основании данных, поступающих с периферии. Иными словами, центральная нервная система, «подав команду» на начало движения (путем первого сокращения нужных для этого мышц), никогда не пускает его потом на произвол судьбы. Все последующее перемещение звеньев тела человека идет под непрерывным контролем и в случае надобности немедленно корригируется путем соответствующего изменения мышечных напряжений. Эта идея носит название «сенсорной коррекции», и никто ее всерьез критиковать не мог, однако сами коррекционные сигналы никем прослежены не были. Вот с их-то обнаружения и начал Николай Александрович, когда приступил к анализу.

Прежде всего отметим, что Николай Александрович в своем анализе движений не ограничивается простым построением суммарных векторов усилий и моментов мышечных напряжений, как это сделали В. Брауне и О. Фишер. Это он считает недостаточным и буквально изобретает так называемый анализ «по параметрическим графикам». Поясним, что это такое. Когда ведется подсчет координат отдельных положений центров тяжести звеньев тела, то, естественно, определяются продольные и вертикальные координаты для каждого положения в отдельности. Затем берется разность в значении координат и, отнеся ее ко времени, отдельно вычисляют продольные и вертикальные составляющие скорости перемещения этих точек, а разница в значении скоростей дает соответственно продольную и вертикальную составляющую ускорения центра тяжести звена. Умноженные на массу звена, они определяют уже слагающие усилий, приложенных к этому центру тяжести.

Николай Александрович начал анализ с того, что стал вычерчивать эти слагающие в отдельности за весь цикл акта ходьбы человека, для всех центров тяжести каждого звена конечности, и выяснил, что полученные при этом кривые никогда не бывают гладкими или примитивными, а насыщены многими, очень закономерными изломами, которыми, кстати сказать, пренебрегли В. Брауне и О. Фишер. Строго логично он обосновал, что все эти изломы (как он их называл — «волны») бывают трех типов: спонтанно-иннервационные, т. е. отражающие непосредственные инициативные импульсы центральной нервной системы, реактивные — являющиеся отражением механических сил, разыгрывающиеся на периферии, и реактивно-иннервационные, которые суть проявление центральных ответов на все, что происходит на периферии.

Но ведь таким центральным ответом должна быть как раз та самая «сенсорная коррекция», о которой говорил Сеченов, и вот почему.

Вся деятельность центральных аппаратов, управляющих движениями, должна сводиться к тому, чтобы создавать на периферии то или иное протекание физических усилий, которые прокладываются к центрам тяжести отдельных звеньев конечностей. Если «волны» усилий, отнесенные Николаем Александровичем к первой группе, возникли при таком положении звеньев, когда только и могли иметь место инициативные силовые импульсы (например, в фазах отталкивания ноги от опоры), а вторые — лишь разыгрываться на периферии (что было очень тонко и остроумно им доказано), то третьи, наиболее интересные, возникали в такие моменты, когда движение более всего нуждалось в коррекции (например, в фазах начала переноса ноги и т. д.). Впоследствии это было подтверждено В. С. Гурфинкелем с помощью непосредственного анализа деятельности мышечных групп, приводящих в движение звенья конечностей.

Таким образом, уже в начале тридцатых годов Н. А. Бернштейн вплотную подходит к фундаменту теории цикличности управления движениями. И если в вопросе о необходимости непрерывной сенсорной коррекции он пока только фактами подтверждал гипотезу И. М. Сеченова, то в дальнейшем уже выступает совершенно самостоятельно.

Следующим важным вопросом, который он решил, была связь между мышечным напряжением и результирующим движением. О том, что между мышечным напряжением и результирующим движением нет прямой связи, а существует какая-то иная, мог догадаться еще О. Фишер. Но Н. А. Бернштейн пошел дальше. Он сделал попытку разработать дифференциальное уравнение хотя бы примитивного движения. Результаты были неожиданными. Выяснилось, что не только нельзя говорить о прямой зависимости, но, более того, мышечное напряжение и результирующее движение оказались взаимосвязанными, т. е. воздействующими друг на друга. Это было математическое доказательство цикличности управления движениями. В 1935 году Н. А. Бернштейн публикует эти данные в «Архиве биологических наук», и эту дату, очевидно, нужно считать началом его публикации по теории управления движениями.

Судя по его рассказам, еще в начале своей работы Н. А. Бернштейн задумывался над тем, что наиболее интересные факты, связанные с изучением вопроса об управлении движениями у человека, можно получить лишь тогда, когда эти движения выполняются в условиях максимальных нервно-мышечных напряжений, а таковые чаще всего бывают в спорте. Поэтому он еще в 1925 году сделал первые попытки наладить связь с Московским институтом физкультуры. Однако тогда эти попытки оказались неудачными. Лишь осенью 1934 года приступил к работе в Центральном научно-исследовательском институте физкультуры. Именно здесь удалось сделать то, к чему он стремился много лет: Бернштейн добился четкого изложения общей теории координации движений человека в целом.

Три звена кинематической цепи — так можно при первом приближении представить руку человека — скреплены между собой суставами, имеющими не менее двух, а плечевой даже трех осей вращения. Поскольку для определения степеней свободы последнего звена (в данном случае кисти) количество этих осей суммируется, то получается, что она имеет как минимум семь степеней свободы, т. е. может перемещаться по семи независимым траекториям. Это только одна кисть, но у человека их две, не считая пальцев, их подвижности.

Если суммировать все возможные степени свободы конечных звеньев рук и ног и учесть подвижность суставов корпуса, то получается, что звенья тела человека обладают совершенно невообразимым объемом движений, который выражается трехзначным числом. Вещь, пока немыслимая при изготовлении механизмов. Экскаватор, например, имеет четыре степени свободы, да и то за каждой из них следит машинист. Самые сложные манипуляторы, работающие в «горячих лабораториях», все же лишь приближенно имитируют работу человеческих рук.