跑步者如何在不平坦的地形上保持直立

如果你跑过树林或草地上的小径，地形上会有无数的颠簸和低谷，每一个都有可能绊倒你。但通常情况下，跑步者管理得很好。这是一项了不起的身体壮举，我们往往认为这是理所当然的。一组研究人员着手更好地理解它。

不平坦的地形实验。(a) 我们在平坦和不平坦的地形上进行了人体实验，同时记录了生物力学和代谢数据。为清楚起见，反光标记和测力板的轮廓被数字放大。(b) 记录足迹以确定地形几何形状是否影响踩踏位置，此处通过地形高度的平均减去等高线图说明，该等高线图是覆盖有足迹（脚跟标记的位置）的大约 6 英尺的不平坦 II 段。蓝色和红色圆圈代表相反的行进方向，透明度级别区分试验。

Madhusudhan Venkadesan 的实验室通过特制的跑道和数学模型发现，在崎岖不平的地形上跑步时，人类主要依靠身体的机械反应来保持稳定，而不是有意识地规划自己的脚步寻找水平地面。此外，他们发现跑步者的动作和体力消耗与在平地上跑步时一样有效。

即使没有像陡峭的跌落这样的偶然危险，跑步者也必须应对更平缓但仍然不平坦的地面，这可能会破坏稳定。那么，为什么小径上通常不会到处都是摔倒的跑步者呢？一种可能性是视觉提示允许跑步者仔细观察地面以踏上大部分平坦的区域。另一方面，跑步在人类进化过程中发挥了巨大作用，尤其是在它如何使人类狩猎方面受益方面。这意味着视线不能仅仅用于寻找可以踩踏的区域；它还需要注意要避开的猎物、树木或其他障碍物，并决定走哪条路。

机械工程和材料科学副教授 Venkadesan 说：“想象一下，跑步并不断地看着你面前的地面，以决定将你的脚步放在哪里。” “你不能把所有的注意力都放在那个问题上，因为很多事情都需要你的远见。”

由于树林中的实际步道不具备科学研究所需的受控条件，Venkadesan 委托一家专门从事攀岩墙的公司建造了一条不平坦的步道。研究人员试探性地设计了不同程度的不平坦地形，以模仿户外跑步者经常遇到的那种不平坦的小径。他们为这条 70 英尺长、3 英尺宽的跑道配备了可以跟踪和测量跑步者脚落地位置的技术。这包括在轨道的一个区域部分安装一个传感器，以测量脚部承受的力。

“有了这个，我们可以在其中的几个步骤中测量跑步者如何感受到力， ”他说。“此外，我们使用 3D 运动捕捉测量了身体上的关键标志。所以我们可以问，质量运动的中心是什么样的？他们是在四处徘徊并试图找到一条路径，还是直接沿着中间走？”

Nihav Dhawale，最近毕业的博士。来自 Venkadesan 实验室的学生开发了一个跑步者的数学模型，该模型将尝试通过不平坦的颠簸找到最平坦的路径，同时仍然匹配跑步者的步长和宽度。这个模型会询问是否有一条可行的路径穿过跑道，可以最大限度地减少不平度，从而询问真正的跑步者是否找到了那条路径。

事实证明，跑步者并不挑剔他们的脚放在哪里。

Venkadesan 说：“我们发现人们似乎可以随心所欲地着地。” “他们似乎并不关心这种不均匀性。”

那么，在那种情况下，跑步者如何保持直立呢？研究人员发现，跑步者并没有试图找到特定的水平区域，而是将着陆时所经历的水平力降至最低，因此利用身体的内在力学来减少地形不平坦带来的不稳定影响。数学模型表明，跑步者尽可能保持双腿顺应性，这样做可以让他们在脚着地时将水平力（即滑动、撞击时的磨损力）降至最低。同一位作者在一篇较早的论文中预测，较低的水平力将大大减轻与在不平坦地形上跑步相关的不稳定性。因此，跑步者有几个步骤来进行小的修正以重新获得完全的稳定性。

Venkadesan 说：“纠正行动不必在几毫秒内或一步之内发生。” “它可能会发生在几步之内，这足以保持稳定性。所以从某种意义上说，我们让身体的机械反应为大脑争取了额外的时间来控制稳定性。”