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人类即将迎来一场太空危机:数不清的太空垃圾正在地球轨道上疾驰,随时可能撞上现役航天器。除了躲避,我们还有其他办法吗?
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陆地上最快的动物是猎豹,最高时速可达104千米。在水中游得最快的动物是黄鳍金枪鱼和刺鲅,时速分别为75千米和77千米。在空中,最快的水平飞行(不包括俯冲)纪录由白喉针尾雨燕保持,其时速超过了112千米。
这些速度快的动物有什么共同点呢?
它们在各自所属的动物类群中,体型既不算特别大,也不算特别小。事实上,它们都属于中等体型
。
这其中的原因仍然是个谜。随着动物体重增加,它们的一些生物学特征也会随之变化。例如,通常来说,动物腿的长度也会随着体重增加而逐渐增长。但显然,
腿长并不是决定速度的关键
,因为最大的陆地动物(例如大象)并不是速度最快的。
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但是,我和我的同事们已经朝着解开这个谜团迈出了关键一步。我们通过使用一种可伸缩的虚拟人体模型,探索了四肢和肌肉的运动,找出限制速度的因素,并从人类形态数百万年的演化中获得了重要见解。
自21世纪初以来,科学家一直
在构建一个名为OpenSim的虚拟人体模型
,该模型免费开放,涵盖人体所有的骨骼、肌肉和肌腱。
这个模型已经被用于多项科学研究,以帮助理解人体运动,探索运动科学,以及模拟手术对软组织的影响。
2019年,来自比利时的一个研究团队更进一步,利用 OpenSim构建了一个基于物理的仿真模型。不同于告诉模型如何运动,他们让模型以特定速度向前移动,然后让模型计算出想要按照规定的速度行走或奔跑,需要激活哪些肌肉组合。
不过如果我们将这个模型缩小至老鼠大小,或者放大到大象的大小,会发生什么?这样,我们就能观察到哪些模型可以奔跑,以及它们能有多快。
这正是我的团队所做的研究,这项研究已于去年10月发表于《自然·通讯》
(
Nature Communications
)
。我们以标准的人体模型(体重为75千克)
为基础,制作了越来越小的模型,最小的体重只有100克;同时我们制作了越来越大的模型,一直到2000千克,并让它们挑战以尽可能快的速度奔跑。
当我们利用这些模型进行实验时,发生了一些有趣的事情。
首先,2000千克和1000千克的模型完全无法移动。事实上,
能移动的最大模型是900千克
,这表明人类的形态存在质量上限。若超过这个大小,我们需要改变身体形态才能移动。
我们还发现,
速度最快的模型并不是体型最大或最小的,而是体重大约为47千克
,与一只普通猎豹的体重相仿。重要的是,我们可以深入分析内部机制,找出其中的原因。