别嘲笑人家走路顺拐了！这没准能救命

公众号新闻

2023-03-31 13:03

“顺拐”，也就是走路或跑步时候同手同脚，可能是一些小伙伴军训时最惨痛的记忆，而且越刻意注意反而越容易顺，引起身边同学的一阵哄笑（其实自己也会笑）。

诶？诶不是？诶？

但我们试着观察一些动物，却发现它们理直气壮地顺拐！走得也挺利索？！这些四足动物和人类顺拐时是不一样的感觉吗？

莫名像在玩两人三足的人类

为什么我们顺拐别扭

大家在体感上都觉得顺拐走路别扭，也有科学研究证实了这点。密歇根大学和代尔夫特理工大学的研究团队发现顺拐的走法比正常要多耗费26%的能量。

你可以想象你在顺拐的时候，身体是不是也在被动发生间断的旋转呢。这个旋转的“启动”和“停止”都是需要耗费额外能量的。对每天研究如何获取能量的我们祖先来说，这走路方式必然会被淘汰。

这还不如跳着走省劲儿呐

其实动物的步态(Gait)是很多样的，以我们常见的狗为例，它可以是同时抬起一侧的前后两只脚状态（像人的顺拐），有时候也可以是同时抬起对角线侧前后脚的走路状态（像人正常走路）。

乒乓乒乓，乒乒乓乓

图源：Stephen Cunnane art and animation

加州大学的研究者分析了1200多个动物对称步态样本，包括分属于156个属的两栖、爬行类和16个目的哺乳动物。1200多个点形成的就是下图这样的云图👇🏻这张图也是仿生机器人学界的重要圣经。这个图理解比较困难，不过大家可以认为上半部分的步态比较偏于“顺拐”，而最上方的点就是“完全顺拐”的pace步态。

而常见的动物其实都会采用很灵活的步态，比如图中的马就可以有至少3种步态，有的看起来顺拐了，有的又很优雅。

步态统计图，图中上半部分代表左后脚落下后，下一个落下的是左前脚（就像人类伸左脚接着伸出左手的“顺拐”状态），被称为单侧次序行进（lateral sequence）；而下半部分代表的是左后脚落地后，下一个落地的是右前脚（就像人类伸左脚接着伸出右手的“不顺拐”状态），被称为对角次序行进（diagonal sequence）。

图源：Hildebrand, Milton.1989

而有些动物则是长期依赖顺拐的步态，比如我们经常见到长颈鹿和骆驼这样腿长的动物会顺拐着赶路。甚至从图上可以看出，其实大多数动物的步态都是在图形中的上半部分，也就是偏于顺拐的走路方式。

太自然了，根本看不出来

图源：natgeowild

那么它们什么时候选择了顺拐的步态呢，又为什么要顺拐呢？

人家顺拐才不别扭

对于腿特别长的四足动物来说，它们很多时候都是用的步态统计图中最上部分的“完全顺拐步态”，顺拐可以说既是它们的义务，也是它们的权利。“义务”是因为它们如果不同手同脚，那么同侧的手脚就可能会碰撞在一起，为了不被自己绊倒它们更喜欢顺拐。

而说“权利”是因为它们的腿足够长，可以让长腿略微向内，从而让全身的重心保持在落地的脚的连线中心，就不会摔倒啦；而让猪一侧的前后腿同时悬空，必然是无法保持平衡的。

顺拐的优雅大长腿鬃狼

图源：YouTube

但很多动物也没那么长的腿，这些小家伙又为什么选择偏顺拐的走路方式呢？

那我们就需要详细分析一下顺拐和不顺拐的特点了。我们只分析比较简单的四足缓行步态(quadruped crawl)，这是对四足机器人的研发最有意义的简单步态之一，也是四组动物最稳定的走路方式。

这样的四足缓行步态也分为偏顺拐的单侧次序行进(lateral sequence)和偏“不顺拐”的对角次序行进(diagonal sequence)两种形式.

图中空心圆点是落地的脚，小黑圆点代表重心，三角是落下的jio组成的三角形支撑

图源：Hildebrand, Milton.1980

可以看出这个过程中，缓行的动物多数时间有3个支撑点落地（我们知道三个支撑点就可以实现稳定），那么此时决定稳定性的也就是支点围起来的三角形或者平行四边形的面积了。

让我们唤醒一下数学课的记忆，以两步态的最后状态作对比，左、右两个三角形的高H相同，但是左边的底边长度B1明显大于右边B2，所以左边的三角形面积是大于右边的。

也就是说，与人类相反，四足动物的偏顺拐的走路方式更加稳定。

不过在上面分析的案例中，我们都是假定一只脚就是一个支点。但其实我们可以注意到，像我们人类，其实接触地面的并不是一个支点，而是多个支点或者一个面。因为我们人类是一种掌行（跖行）动物，对于哺乳动物除了掌行动物，还有趾行动物和蹄行动物。

整个脚掌着地；趾骨着地脚跟并不与地面接触；趾骨末端的蹄子着地

图源：www.burkemuseum.org

掌行动物因为支点多，从而获得了稳定性，却牺牲了速度和爆发力；蹄行动物的蹄子支点只有一个或者两个，获得了爆发力和速度，却牺牲了稳定性；而趾行动物则在两者之间。

多数食草动物需要随时准备逃跑，于是选择速度优化的蹄行方式；而多数大型捕食者需要兼顾潜伏时的稳定和捕猎时的爆发，就选择了均衡的趾行方式。

要有这轻盈的步伐上学时候还愁体测

图源：纪录片《探秘奈良野生鹿》

而我们人类，因为保留了灵长类的掌行方式，有了用两脚站立的基础，解放了双手，才使得人类变成了闻风丧胆的“恐怖直立猿”。

好多条腿怎么走

当然上面的讨论仅限于四足动物，如果脱离了四足动物的限制，那么动物就可以想怎么稳定就怎么稳定了，比如蚂蚁就演化出了既可以一直有三个支撑点，又可以高速行走的方式。

行走的稳定三角形

图源：gifer.com

而昆虫之外的节肢动物又脱离了六足的限制，就比较放飞自我了。比如马陆虽然腿不长，但是因为腿太密还是担心相互打架，所以就演化出了波浪形的顺拐走路法。

想给它个钢琴弹

图源：YouTube

关于动物走路步态的研究还是进行时，和大家分享分享，给大家以后去动物园多个有意思的观察项目，毕竟无论怎么走路，都阻挡不了我们和它们前进的步伐。

参考文献

[1] Collins, Steven H., Peter G. Adamczyk, and Arthur D. Kuo. "Dynamic arm swinging in human walking." Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 276.1673 (2009): 3679-3688.

[2] Hildebrand, Milton. "The quadrupedal gaits of vertebrates." Bioscience 39.11 (1989): 766.

[3] Remy, C. D. (2011). Optimal exploitation of natural dynamics in legged locomotion (Doctoral dissertation, ETH Zurich).

[4] Hildebrand, Milton. "The adaptive significance of tetrapod gait selection." American Zoologist 20.1 (1980): 255-267.

撰文 | Puruspa

部分图片 | 图虫创意

微信编辑 | 赵之遇