我们的身体是由原子组成的，就像任何岩石、恒星或其他原子聚集体一样，我们在运动时必须遵守物理定律。但每个物种都以自己的方式遵守这些相同的定律。我的猫每天早上都会跳到我的桌子上，它踢到地上的回形针和电脑线丝毫不会影响它优雅的身姿。外面的一棵枫树在风中弯曲，在倒塌和折断之间找到了一个快乐的平衡点。一只鹰来到树旁，准确地落在了一根树枝上。
仅凭肉眼，我们无法了解生物体运动的不同方式。我们看不到盘旋在鹰身后的无形空气涡流，看不到弯曲的枫树不同部分承受的应力，也看不到我的猫腾空而起时产生的推力和力矩。
这个看不见的世界首次展现在人们眼前是在 1872 年。铁路大亨、斯坦福大学创始人 Leland Stanford 花了很多时间观察他的赛马奔跑。他确信，当它们小跑时，会有那么几个瞬间四脚都离地。传说他甚至为此下了 25,000 美元的赌注。斯坦福付钱给一位著名的风景摄影师 Eadweard Muybridge，让他找出自己是否猜对了。
Muybridge 让马匹沿着一条挂满细线的小路小跑，细线连接着一排照相机；当马匹绷断细线时，照相机便会拍照。Muybridge 花了好几年时间才研制出足够快的快门和足够灵敏的胶片来捕捉图像（他还得花些时间为自己辩护——并成功地——反驳了他谋杀妻子情人的指控）。
但到了 1877 年，他终于能够给斯坦福一个答案。马匹在每个疾驰周期中确实都会四脚离地。后来，Muybridge 制作了能够快速连续播放他的照片的装置。他的活动影像让马匹“活”了过来。
最终，Muybridge 来到了宾夕法尼亚大学，在那里他为许多其他四足动物拍摄了照片。他发现，当它们奔跑时，它们会同时抬起四条腿。即使是双足人类也是如此。事实上，这种完全不接触地面的状态，后来被定义为奔跑的行为。
Muybridge 的照片也揭示了其他规则。当四足动物行走而不是奔跑时，它们的脚通常以相同的模式触地：后左、前左、后右、前右。以下是行走马匹的周期图。
Muybridge 为生命运动的科学研究打开了大门。如今，生物学家可以使用高清摄像机拍摄动物，并利用计算机计算身体不同部位的移动速度和方向。他们可以在动物身上安装传感器，或者让它们在力敏板上奔跑，以测量它们肌肉产生的推力。
与 Muybridge 闪烁的马匹照片相比，我们可以在皇家兽医学院研究人员的这部电影中欣赏它们优雅的身姿。
这些先进的工具使科学家们能够发现动物运动方式的一些原因。例如，行走中的狗或行走中的大象的步态周期，是保持四足动物稳定的最佳方式。行走不仅稳定，而且高效，因为它实际上是将动物变成了钟摆。钟摆可以摆动很长时间，因为它能不断地回收一些能量。在向下摆动时，它由重力驱动；当它到达弧线的最低点时，它拥有足够的能量来抵消重力并向上摆动。
当你行走时，你的身体就像一个倒置的钟摆：你向前迈出的脚是钟摆的轴，你的重心是悬挂的重物。在你步伐的开始，你对抗重力，用腿将重心向上拱起，直到你达到最高点。然后重力接管，你的身体向下摆动，直到另一条腿触地。接下来的步伐会更容易。你可以利用重力给你的能量来将自己拱起，完成第二个以及之后的所有步伐，就像钟摆在每次摆动中都能回收能量一样。
然而，当你奔跑时，你就停止像钟摆那样运动，而开始更像弹簧跳杆。现在，当你第一次落地时，你的身体会向下沉，而不是向上抬升。你的腿实际上充当了你身体的刹车，因此你的重心在你加速度最低的时候也处于最低点。与此同时，你的肌腱就像弹簧。当它们被拉伸然后回弹时，它们储存和释放能量，就像弹簧跳杆中的弹簧一样，将你向上和向前推进。
当然，还有很多其他移动方式。如果你是一只蟑螂或蜈蚣，你可以使用超过四条腿。事实证明，在我们脊椎动物中支配行走和奔跑的许多规则也适用于无脊椎动物。与此同时，其他研究人员正在发现飞行、跳跃和游泳等其他运动类型的规则。尽管生物力学取得了许多进展，但事实证明，仍然有很多人生活在一个“前-Muybridge”的宇宙中。匈牙利的一组生物学家、生物物理学家和兽医最近对自然历史博物馆展品中的动物描绘进行了调查。在每种情况下，研究人员都确定了动物的姿势是否遵循四足动物的基本运动规则。
他们给出的评分相当糟糕。博物馆展品出错率为 41%。标本制作目录出错率为 43%。动物玩具出错率为一半。而且，令人难以置信的是，名列最后的是动物解剖学书籍——错误率为 63.6%。
例如，这是一幅描绘一匹“不像马的马”的插图。B 是其四肢的示意图。C 和 D 展示了它可以采取的两种真实姿势。
这是一张在博物馆展品中拍摄的土狼照片，它摆出的姿势是任何体面的土狼都不会摆出的。
我对如此多的生物力学错误感到惊讶，尤其是在动物腿部定位这样简单的问题上。公平地说，博物馆中许多生物力学上的错误是过去遗留的问题。如今，博物馆正效仿好莱坞的做法，与生物力学专家合作。约翰·哈钦森（John Hutchinson）在皇家兽医学院进行了关于恐龙如何行走的开创性研究，他的研究是“恐龙之旅”（Be The Dinosaur）展览的基础。这是该展览提供的一些计算机模拟示例。
我在 20 世纪 90 年代中期开始对生物力学产生浓厚兴趣，我常常梦想着将电影嵌入到我的文章页面中。文字的力量有限，照片也无法更进一步。我大部分的未来梦想都未能实现，或者已被证明是平庸的失望。但就生物力学写作而言，未来已来，而且是美好的。这将是我希望发表的关于生命运动的长篇博客文章的第一篇，配以 Muybridge 无法想象的动态图像。
参考文献：Horvath et al.: "自然历史博物馆中错误的四足动物行走描绘。"发表于
《当代生物学》(Current Biology), 第 19 卷，第 2 期，2009 年 1 月 27 日
Muybridge 肖像：史密森尼学会
土狼和行走马匹图片由 Gabor Horvath 和 Adelinda Csapo 提供
