Легкий бег: Движущиеся модели

Биомеханические исследования показывают, что переход от ходьбы к бегу на той же скорости у нас происходит совершенно без каких-либо лишних затрат энергии.
Элегантность и эффективность ходьбы и бега завораживает любого, кто задумается над этим. Особенно эти процессы интересуют инженеров, которые бьются над тем, чтобы научить роботов тому же. Напомним, что лишь недавно был представлен первый робот, способный полноценно бегать – притом, что больше ни на что он неспособен («На двух ногах»). Тогда как от здорового взрослого человека ни шаг, ни бег не требуют сколько-нибудь значительных усилий. Все происходит легко, естественно и без участия сознания. «Ноги сами знают», что делать.
Лишь в последние годы эксперты в области биомеханики начали постигать детали механизмов нашей ходьбы и бега, и того, почему вмешательство высших отделов нервной системы требуется лишь изредка, чтобы отдать команду – скажем, «Побежали!» И выводы, сделанные учеными, обнадеживают: главный секрет кроется в устройстве конечности. Роботам будущего не придется применять сверхсложные алгоритмы и вычислительную мощь, чтобы просчитать каждый следующий шаг, следить за каждой деталью... Все естественно просто.
Неплохой иллюстрацией разницы в подходах служит сравнение беспилотника, напичканного сложной электроникой для контроля за полетом и удержанием в нужном положении – с дротиком для игры в дартс, сама конструкция которого стабилизирует его полет. Осталось лишь немного: понять, как именно конструкция наших ног обеспечивает оптимальное движение, с минимальным контролем и вмешательством со стороны нервной системы.
Один из подходов к этому состоит в том, чтобы рассматривать ногу, совершающую шаг, в качестве обращенного (перевернутого) маятника, с опорой у земли и с грузом тела, «подвешенным» сверху. При переходе на бег к этой системе добавляется пружинная составляющая. В такой модели движение можно контролировать с помощью небольшого набора варьируемых параметров, включая длительность и размер шага, высоту подъема ноги. Целый ряд исследований показал, что эта модель может служить вполне обоснованным приближением к реальному процессу ходьбы и бега.
Однако в рамках этого описания, создавая на его основе компьютерные модели, до сих пор не удавалось добиться естественного перехода от ходьбы к бегу – в момент перехода система теряла стабильность, и если б это был реальный человек или робот, он попросту бы падал каждый раз, переходя на бег. Лишь недавно работающим в Германии ученым удалось найти секрет этого перехода.
Ученые рассмотрели все «пространство» движения при ходьбе и беге и показали, что оба они содержат области стабильности и нестабильности. Затем они вполне логично допустили, что движение в любом случае должно происходить в областях стабильности – однако при переходе от одного к другому возможно кратковременное пребывание и в нестабильных регионах. Представьте, что ходьба с точки зрения биомеханики – это впадина, на дне в которой шарик может оставаться спокойно, но для попадания в другую впадину, соответствующую бегу, ему придется проскочить через нестабильное положение на «перевале» между ними. Зато, забравшись на этот «перевал», он легко «скатится» к новому стабильному положению.
Интересно, что авторы работы показали, что сравнение со впадинами и перевалом не совсем корректно: дополнительной энергии, чтобы вывести систему из равновесия, не требуется. Осталось лишь разобраться, как именно устройство наших конечностей обеспечивает эти переходы, какие параметры при этом варьируются и как именно. Теория готова – дело за практикой, а там – и за роботами, легко переходящими с ходьбы на бег и обратно. Почти без участия мощных компьютеров и сложных алгоритмов.

По публикации MIT Technology Review / Physics ArXiv Blog