Перед тем как попросить очередного испытуемого встать на дорожку тренажера (или перед тем, как встать на нее самому), Герр прикрепляет сантиметрового размера метки-отражатели на все сколько-нибудь заметные – с анатомической точки зрения – участки тела. Этих отражателей как минимум несколько десятков. Когда испытуемый – или сам Герр – поднимается на тренажер и начинает идти, остается лишь нажать несколько кнопок, и камеры начнут собирать точнейшие сведения о том, как составляющие человеческой ноги взаимодействуют друг с другом, порождая движение: для этого отслеживается положение меток при их движении в пространстве. Эти данные передаются в компьютер для последующего анализа.
Такая информация позволяет Герру и его коллегам, к примеру, точно определять, как меняется с течением времени угол сгиба ног в коленях, как движение правого бедра отражает изменения, происходящие при этом с лодыжкой, как всё это связано с выгибом ступни.
Такие системы «захвата движения» (вероятно, сегодня самый знаменитый их поставщик – компания Vicon) произвели настоящий переворот не только в том, что касается исследований движения, которые проводят в последние годы Герр и другие инженеры, но и в целом ряде других сфер. Мультипликаторы используют их для того, чтобы записывать движения живых актеров и затем заставлять своих анимационных персонажей жизнеподобно шевелиться на экране[9]. Может быть, вы видели баскетболиста Леброна Джеймса в рекламе видеоигр компании EA Sports, где он отправляет мяч в кольцо и где все его тело покрыто маленькими мячами-отражателями? Таким способом аниматоры компании старались придать достоверность двойнику Джеймса, действующему в их игре. Но эта технология идет на пользу не только виртуальному спорту. Тренеры бейсбольных команд «Бостон Ред Сокс», «Сан-Франциско Джайентс» и «Милуоки Брюэрс» используют ее для записи движений своих питчеров при броске, а затем предлагают изменения, позволяющие добиться максимальной плавности движения и максимальной силы, которая при этом может вырабатываться. А в одной лаборатории Южного методистского университета (в Далласе) профессор биомеханики Питер Вейэнд работает с некоторыми из лучших спринтеров мира, анализируя механику движения их ног (и непосредственно в лаборатории, и изучая видеозаписи), пытаясь понять, что же делает их столь стремительными, а заодно и стараясь предложить изменения, которые могли бы оптимизировать их бег.
С помощью технологии захвата движения и компьютерного анализа Вейэнд показал, в частности, что скорость, которую развивают ведущие спринтеры, связана с силой и ритмом соприкосновения ступней с землей: именно благодаря этому особому сочетанию они могут совершать микро-прыжки на более значительные расстояния. Эта скорость имеет мало отношения к так называемой изометрической силе бегунов – иными словами, к тому, какую тяжесть они способны вытолкнуть вверх при помощи своих ног[10]. Скорость таких бегунов больше определяется ритмом их движений, а также углом, под которым их ступня соприкасается с землей, той силой, с которой она воздействует на поверхность, и тем интервалом, в течение которого она не отрывается от земли. Все эти факторы спортсмен может оптимизировать, совершенствуя свою физическую форму и постоянно тренируясь.
Герр нашел еще одну область применения для этой технологии. Когда он получил кандидатский диплом и всерьез начал заниматься дизайном искусственных ног, практически все имевшиеся на рынке протезы лодыжек и ступней представляли собой пассивные приспособления. Их разработчики встраивали внутрь пружинные механизмы, служившие амортизаторами при ходьбе, однако не предпринимали никаких усилий для того, чтобы воссоздать ту способность вырабатывать энергию, которой обладают мышцы людей, по-прежнему имеющих нижние конечности, дарованные им природой. Герру казалось, что для него такое дизайнерское решение неизбежно влечет за собой проблемы. И он пришел к выводу: начинать надо с лодыжки и ступни.
Герр внимательно изучил работы еще одного ученика Макмэхона. В 90-е годы Клэр Фэрли убедительно показала, что человеческая лодыжка представляет собой, по сути, основной сустав, с помощью которого мы регулируем жесткость всей ноги. А поскольку именно увеличение жесткости повышает «прыгучесть» ноги (и дает больший выброс энергии, когда это необходимо), Герр понимал: лодыжку можно рассматривать даже как основной «мотор» ноги. Изменяя уровень мышечной активации, а значит, жесткость и прыгучесть, лодыжка служит своего рода «регулятором громкости», позволяющим увеличивать или уменьшать силу и скорость нашей ходьбы.
«Изменения в лодыжечном суставе сказываются на общей жесткости ноги, – замечает Дэн Феррис, профессор биомеханики Мичиганского университета и бывший аспирант Фэрли: вместе с ней он написал несколько важнейших статей по биомеханике ноги и лодыжки. – Лодыжка управляет всей ногой».
Герру казалось очевидным, что именно пассивность «мертвого груза» искусственных лодыжек могла бы объяснить многочисленные и разнообразные страдания тех, кто пережил ампутацию нижних конечностей или их части. Даже с самыми лучшими моделями, имеющимися в продаже, большинство ампутантов ходили медленнее обычных людей и хуже удерживали равновесие. Их походка выглядела чудноватой, а приспособления, на которых они передвигались, часто вызывали проблемы со спиной. Вероятно, важнее всего здесь то, что, когда ходит человек с нетронутыми нижними конечностями, количество энергии, которую расходуют его икроножные мышцы, возрастает с увеличением скорости ходьбы. Герр полагал, что нехватка лодыжечной энергии в протезах – одна из главных причин, по которым ампутанты тратят при ходьбе на 30 % больше энергии, чем люди с неповрежденными нижними конечностями. Когда нет нормально функционирующей лодыжки, способной модулировать жесткость, упругость и прыгучесть ноги, ходьба значительно менее эффективна.
«Я стал думать о протезах, которые я предпочел бы носить, и о том, как важно, чтобы компьютер контролировал протез и позволял варьировать жесткость, когда человек идет и когда человек бежит», – вспоминает Герр.
И он решил создать математическую модель, которая бы точно описывала, каким именно образом взаимодействуют различные компоненты нижней части ноги. Чтобы это сделать, требовалось задать ряд фундаментальных вопросов насчет обычного поведения обычной ноги. К примеру, какое количество энергии вырабатывает нормальная икроножная мышца мужчины ростом 5 футов 9 дюймов [175 см] непосредственно перед тем, как ступня оттолкнется от земли? Или: как сокращение этой мышцы влияет на степень жесткости сухожилий, которые к ней прикреплены? Насколько жесткой становится лодыжка, когда человек пытается замедлить свое движение?
Чтобы получить данные, необходимые для ответа на такие вопросы, Герр вместе со своей группой несколько месяцев перелопачивал результаты предыдущих исследований, отбирая всё, что на тот момент было известно о динамике человеческой ноги и о взаимодействии структур, входящих в ее состав. Если научная литература на ту или иную тему оказывалась слишком скудной, Герр пытался заполнить пробелы, прибегая к помощи добровольцев-неинвалидов и используя технологию захвата движения, чтобы подробно охарактеризовать то, как они перемещаются.
Создавая свое всеобъемлющее математическое описание функционирования ноги, Герр приступил к разработке робопротеза, способного трансформировать всю эту математику обратно – в реальные движения. Чтобы воспроизвести природную способность лодыжки тормозить при ходьбе вниз по склону, Герр модифицировал одно из своих предыдущих изобретений, которое он создал для контроля жесткости коленного протеза. Это устройство состоит из скользящих стальных пластин, отделенных друг от друга маслянистой жидкостью, которая в магнитном поле становится более густой. Электросенсоры измеряют угол приложения и уровень силы, с которой пользователь протеза воздействует на лодыжку, и в соответствии с этими данными компьютер варьирует напряженность магнитного поля. А чтобы определять расположение лодыжки в пространстве и на основании этой информации менять угол наклона искусственной ступни (если, скажем, ступня на несколько мгновений зависла в воздухе при спуске по лестнице), Герр встроил в протезы такие же датчики, которые используются в системах наведения ракет.
