Адам Пиорей - Человек 2.0. Перезагрузка. Реальные истории о невероятных возможностях науки и человеческого организма

В итоге Хеглунд, Каванья и Чарльз Ричард Тейлор, гарвардский биолог, руководивший знаменитой Конкордской биостанцией, выявили две отличающиеся друг от друга схемы передвижения, позволяющие эффективно накапливать и расходовать энергию. Первая модель объясняла бег, вторая — ходьбу.

При беге пружинообразные сухожилия растягиваются в тот момент, когда нога ударяется о землю, и изменяют форму, чтобы накопить упругую (механическую) потенциальную энергию. Когда наша ступня отрывается от поверхности, сухожилия высвобождают эту накопленную энергию, словно резинка, и придают нам импульс, направленный вперед и вверх — и переходящий в наш следующий беговой шаг. «По сути, — объясняет Хеглунд, — при беге мы передвигаемся небольшими прыжками, словно баскетбольный мяч или пружинная ходуля "пого"».

Отметим, что при этом наши икроножные мышцы укорачиваются и удлиняются главным образом для того, чтобы менять жесткость системы, служа как бы регулятором громкости для ахиллесовых сухожилий. Чем жестче мышца, тем сильнее она натягивает сухожилие, а значит, тем большее напряжение к нему прикладывается. (Допустим, при пробежке нам попалась на пути лужа. Чтобы изменить длину шага, мы сгибаем ногу, делаем икроножную мышцу жестче, сжимаем сухожилие: это позволяет нам сделать короткий беговой шажок, после чего мы используем запасенную при этом энергию для того, чтобы перемахнуть через водную преграду.)

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].

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.