W斯科特·朱雷克（Scott Jurek）戴着复制品西藏祈祷旗的头带，在科罗拉多州博尔德（Boulder）的一个公园里与我会面，展示正确的小径跑步技术。这不仅仅是在郊区铺好的街道上慢跑，而是沿着森林和山路奔跑，即使是一个不慌不忙的徒步旅行者也要为此付出代价。去年，Jurek在海拔数千英尺的岩石地形上，在46天内跑完阿巴拉契亚山道的全长2189英里，相当于每天近两次马拉松。
我们沿着尘土飞扬的步道走着——作为一个狂热的步道跑步者，我想我不应该因为试图跟上而让自己尴尬。然而，当我看到他为了演示而奔跑时，令我印象深刻的是，无论地面多么不平，Jurek从不往下看。他礼貌地放慢脚步，站着不动，吹着微风，对步幅和长度进行狂想。当讨论神经力学这样复杂的问题和疲惫这样简单的问题时，他会用自己作为健康从业者的经验——在成为全职超跑运动员之前，他是一名物理治疗师。但是，尽管他知道这么多，他还是不太确定自己是如何在没有扭伤脚踝或摔倒在地的情况下跑完这些路线的。“好吧，你就这么做吧，”他说。“你进入了节奏，进入了流动。有很多东西需要追踪，但实际上并不那么复杂。”
但实际上，这很复杂。大多数生物力学研究都是关于我们如何通过光滑的表面，也许是通过倾斜的变化。即使是这样也很棘手。我们是不稳定的生物:走路和跑步都是一种持续的不平衡状态，其中一条腿支撑着我们的身体，而另一条腿则在摆动。不知何故，我们的身体和大脑驯服了这种不稳定性，并使之富有成效。教科书通常使用一个简单的弹簧质量模型来描述这个过程，在这个模型中，我们的腿就像密歇根大学的生理学家丹尼尔·费里斯(Daniel Ferris)所说的，“一组惊人一致的弹簧单高跷”(见下面的侧边栏:弹簧单高跷)。根据这个模型，跑步本质上就是用两条腿跳跃。这个速度由几个参数决定，比如速度和腿的长度。
敏捷性依赖于大脑中高水平发生的认知，但从未陷入意识的意识。
Pogo-Stick模型捕获了行走和跑步的基本重复运动，但它造成了拼图。由于开创性的俄罗斯神经学家Nikolai Bernstein指出在20世纪30年代，因此Pogo棒因其机械设计而以非常简单的方式移动，但人类运动的简单性和流动性不能具有如此直接的解释。我们的肌肉可以在嘉古园的方式跨越我们的关节：它们的灵活性创造了一个巨大的控制问题。因此，那些看似无限的运动可能性必须被简化为少数常规化的可能性。我们的身体和大脑如何在所有可能的行动方案中选择，好像在一个包含多种到达目的地的复杂路径地图之后，它们如何以这种一致的方式执行此操作？这些选择如何在选项扩展到很大程度上，包括无数的方式在山路上以岩石躲避岩石？对于有意识的大脑来说，这似乎太多了。事实证明，它是。
我2008年，佐治亚理工学院的年轻人张辉（音译）开始在受试者的脚上贴上弹性外骨骼，看着他们跳跃。有时，他用铅条包裹参与者，以模拟他们的全身重量；有时，他会让他们跳进地板上标记的空间，就像《舞蹈革命》的街机游戏一样。他观察到，我们下肢一个关节的变化很快被其他关节的变化所补偿。身体似乎通过只在需要时进行调整来最小化控制问题，通常信号量最小。与此同时，Ferris进行的研究表明，在使用像拼图一样的跑步机当前位置跑步者在不平整的路面上比在平整的路面上消耗更多的能量，但这种差异比理论预测的要小。显然，当地形变得复杂时，我们的臀部、膝盖和脚踝会更有效地移动。
鸟也这样做。它们是用于学习机器的模型动物：它们是双足的，具有人类的步态，轻松地束缚不均匀的地形。伦敦皇家兽医学院的Monica Daley保留了一群鸟类，并适应了他们跑步的跑步机。她可以将其他材料替换为跑步机的表面，并且发现鸟类的腿在触摸材料时立即适应。在一个实验中，她使用薄纸，几乎不能支撑甚至是几内束的重量，但即使它们突破他们重新校准的纸张，无论如何都在水面上行走。他们测试的其他表面包括沙，泡沫和间隙坑洼。
他们对新情境的回应的速度令人沮丧的愚蠢。GuineaFowl腿不断进行微调。实际上，它们具有可调减震器。在不平整的表面上，他们的腿进入高阻尼模式，以减少冲击的冲击;在光滑的表面上，它们转向低阻尼模式以节省能量。Daley解释说：“这种益处是平滑地形中的更大的经济性（当减震器没有订婚时），并且在粗糙地形中继续平稳运动的好处（当减震器啮合时）。”
鸟类的反应是由机械调节的——也就是说，在它们的腿着地的那一刻，反应就立即发生了，根本不需要思考或预测。科学家称其为“前屈”，以区别于反射，反射虽然速度很快，但仍涉及外部控制。该系统之所以能够工作，部分原因在于弹簧-质量模型的自然动力学会自动使物体稳定，以抵御外界干扰。中枢神经系统根本不是必需的。戴利指出，即使是臭名昭著的无头鸡麦克，来自20世纪40年代的显着鸡肉，在斩首，可以走路。
但这种腿部水平的反应只能解释这么多。它们根据表面的质量进行调整，但自身无法引导我们避开岩石和树根。为此，我们需要大脑，它整合了多种感官：本体感觉（我们内部的身体意识）、平衡和视觉。在Daley对从雉鸡到鸵鸟的鸟类进行的其他实验研究中，她表明，在不平的表面上，鸟类需要神经机械反馈，最有可能是视觉反馈，以便在稳定性和腿部冲击之间进行权衡。
虽然我们的大脑帮助我们跑步，但很明显，我们的意识自我不可能跟上每根树根和每一块鹅卵石。有趣的是，我们的视觉系统，以及其他感官输入，通过绕过意识的方式来通知我们的动作。“你必须明白，你的大脑中有两个或更多的视觉系统，”艾伦脑科学研究所的神经学家克里斯多夫·科赫说。“一个是视觉为行动，另一个是视觉为感知。我们总是固执地认为，我们认为自己没有意识到的东西，并不会被我们大脑的‘视觉换行动’部分记录下来。”
这两个系统分别被称为背侧流(放置物体并引导运动)和腹侧流(识别你在看什么并支持意识意识)。在一个关于这种差异的演示中，心理学家让人们抓住一个移动的物体，同时说“tah!”他们发现它突然逃之夭夭。平均来说，被试者的话语发生在事实发生后420毫秒。并行系统处理抓取和说话时相同的视觉信息。
在另一个有趣的实验中，心理学家要求研究科目看看陡峭的山坡并估计其坡度。他们以几种方式之一给出了答案：说话，转动拨号匹配感知角度，或用手倾斜板，而不看那只手。前两项估计是有意识的评估：受试者在现场占据了现场，并试图重现他们所看到的东西。第三个涉及不同的途径，从眼睛到手，这并不完全通过意识意识。差异是讲述的。在他们有意识的估计中，人们系统地高估了斜坡，但在他们的直接引用估计中，他们完全正确。当我们决定计划动议 - 一种有意识的行为 - 我们的大脑经常欺骗我们，因为几何精度不如例如攀登的一般身体难度重要。但是，当我们去执行动作时 - 无意识 - 我们被精致地对环境进行调整。
没有第二种想法的人类机动的环境仍然闪烁。
所以，当Jurek发誓他不知道如何在小路上跑步时，他真的不知道。他的敏捷性依赖于他大脑中较高水平的认知，但从不打破意识意识。这种高水平的运作令人印象深刻。德克萨斯大学博士后乔纳森·马蒂斯(Jonathan Matthis)使用动作捕捉套装来记录行走测试对象的步幅，同时使用眼球追踪摄像机来精确测量对象的注视。数据显示了他们的眼睛是如何固定的，相对于他们的步态。在他们真正迈出这一步的时候，他们几乎不使用视觉信息。马蒂斯说:“步行者的眼部运动非常迅速和精确，以收集他们需要的关于即将到来的地形的视觉信息，同时双脚准确地放置在过去几个步骤收集的信息的基础上。”
可以肯定的是，我们的大脑确实会找到其他方法来整合可用信息。Jurek指出，一个盲人朋友和他一起跑了阿巴拉契亚山道的一部分，他惊叹于他朋友的脚的位置和敏锐的意识。很明显，我们潜意识对嘈杂地形的适应和反应是多种多样的，我们每个人都是这样。
为了一睹它的风采，我去了南加州大学的詹姆斯·芬利的实验室。一套配有所有传感器的全动作捕捉套装可能需要两个小时才能穿上，所以我只戴了一顶帽子。它类似于水球帽，通过监测红外光来测量血液氧合和体积，这项技术被称为功能性近红外光谱(fNIRS)。
芬利利用帽子和套装来研究测试对象如何适应新情况。例如，这位好医生让我在跑步机上行走，在跑步机上皮带被纵向分成两段，以驱动两条腿独立行走。他以不同的速度移动了两条传送带试图让我失去平衡，这似乎奏效了。我跌跌撞撞地笨拙。在我不知道的情况下，他又把传送带改成了单速，我还是一瘸一拐地走着。他解释说，原因是当我以不同的速度行走时，我的大脑调整了它的速度感知，让我觉得其中一个移动的速度比另一个快三倍。然后，一旦传送带开始以同样的速度移动，我的大脑对它们速度的预测就不再准确了——我开始跛行，直到我的大脑最终重新校准。不要介意越野跑:即使是步行也是一个小小的奇迹。
W当一个机器人奔跑时，它不会在有意识的和潜意识的自我之间分割处理工作。它既没有。这并不意味着机器人在各个方面都没有长足的进步。但它们仍然被人类不假思索地操纵的环境所迷惑，在很多方面都失败了，因为它们没有天生的优雅来处理复杂性。
“机器人的问题是他们非常擅长跳跃和各种其他运动，但他们发现了[跑步如]春群众困难，特别是在不均匀的地形上，”Carnegie-Mellon的运动员研究员Lement Hartmut Geyer。谁专注于机器人学。来自波士顿动力学的地图集机器人最近展示了在冰冷的路面上保持直立的显着能力，但公司不会发布其控制算法。Geyer推测它们是基于倒立的摆锤，通过飞轮增强，以使机器人一些额外的机动性。机器人面临与人体相同的稳定性问题，但是，如果Geyer是对的，以不同的方式解决它。也就是说，机器人就像人类一样，他们的控制系统通常使用简单快速算法的组合，其中感觉输入直接影响移动，以及普通规划的较慢的算法。
密歇根大学(University of Michigan)的机器人专家c·大卫·雷米(C. David Remy)对我们在运动中所进行的转换特别感兴趣。通过机器人模拟，以及越来越多的自主机器人，他发现人类运动的自然动力学在很多方面是由疯狂的启动和停止，一种速度的转换，这与任何机器的齿轮没有什么不同。我们的速度变化看起来非常参差不齐，和我们的金属兄弟很相似。我们的关节、肌肉和肌肉使我们运动的边缘变得柔软，但如果我们的大脑控制的是机械部件而不是有机组织，我们的步态就会像C3PO的步态一样脱节和刺耳。
也许有一天，我们会设计出在拥挤的房子里移动的机器人，而不会被地毯绊住或从猫身上碾过。而且，无论是通过机器人技术还是人类研究，如果我们能够理解Jurek是如何跑动的，也许我们可以帮助各个运动领域的人们，无论是受到大厅步行挑战的老年人，甚至是职业跑步者。
在Jurek为我做了一次示范跑步后，他灵巧地沿着岩石小道走下来，他停下来擦了几滴汗水，可能是早上跑步的结果，他坦白道:“你的身体可以完成很多工作，但在一天结束的时候，就像那些我在at上跑了几个小时的日子一样，有时你会开始磕磕绊绊，并做出让步。”
山姆·施拉姆斯基(Sam Schramski)是一名自由撰稿人和研究员，目前在印第安纳州布卢明顿市工作。他还没有赢得过100英里的比赛，但他不会放弃，直到机器人开始领先他。
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