Человек 2.0. Перезагрузка - читать онлайн

Глава 1 Бионический человек, который строит бионических людей Как воспроизвести природные механизмы нашего передвижения

Уже начинал идти снег, когда морозным утром Хью Герр и Джефф Батцер двинулись по лесной тропе вверх по склону горы Вашингтон (той, что в штате Нью-Гэмпшир). Дело было в январе 1982 г.[5]

Они несколько месяцев планировали этот поход и всю ночь ехали сюда на машине из Ланкастера (штат Пенсильвания). Герр, семнадцатилетний парень с детским лицом и буйной гривой каштановых волос, знал, что Батцеру очень хочется добраться до вершины горы. Но когда они прибыли к подножию и начали восхождение, два альпиниста отнюдь не были уверены, стоит ли пытаться дойти до самого верха горы именно в этот день. Вершину скрывали зловещего вида тучи, а после того как туристы 25 минут пробирались по глубокому узкому ущелью, она и вовсе пропала.

Путешественники остановились примерно через три четверти мили [примерно 1200 м] пути – у входа в лощину Оделла, печально известное ледяное поле, откуда всего за несколько месяцев до этого сорвался навстречу своей гибели молодой скалолаз. Пока Герр и Батцер стояли, воззрившись на длинную голубую ледяную промоину, которая, змеясь, уходила от широкого плато круто вниз, видимость оставалась хорошей, и ледяной ветер лишь слабо посвистывал вокруг. Они свалили с плеч рюкзаки и оставили свое бивуачное снаряжение у края тропы, чтобы по-быстрому подняться наверх налегке.

Герр первым полез вверх по крутой ледяной стене. Ему было семнадцать – на три года меньше, чем Батцеру. Но в том, что он пойдет первым, с самого начала не было никаких сомнений. Герр с семи лет занимался скалолазанием вместе со своими старшими братьями. К подростковому возрасту Герр стал признанным во всей стране скалолазом, «вундеркиндом» среди ровесников-альпинистов. Считалось, что он входит в десятку лучших альпинистов США. И, вероятно, он был лучшим на Восточном побережье.

Всего за несколько месяцев до этого похода Герр сумел совершить настолько дерзкое и технически сложное восхождение, что многие в сообществе скалолазов поначалу отказывались верить этим новостям. Герр нацелился на Супер-трещину [Super Crack], считавшуюся самым сложным альпинистским объектом на всем американском северо-востоке. Он задумал покорить наклонную вершину, сверху донизу расколотую узкой полуторадюймовой трещиной (чем выше поднималась трещина, тем больше был угол ее отклонения от вертикали). На полпути к вершине путь полностью преграждал страшноватый нависающий выступ шириной 18 дюймов [примерно 46 см]. Скалолазам требовалось, повиснув на одной руке, каким-то чудом преодолеть гравитацию и дотянуться другой рукой до такого места по ту сторону выступа, за которое можно ухватиться. Первый альпинист, успешно осуществивший это восхождение в 1972 г., падал 32 раза, прежде чем все-таки достиг вершины. За год до того, как за этот объект взялся Герр, один из ведущих альпинистов мира, Ким Карриган, потратил целый день на то, чтобы покорить эту стену. Однако новость о его успехе все равно очень воодушевила альпинистское сообщество: Карриган стал первым скалолазом, совершившим этот подвиг за такое относительно короткое время. Большинству его собратьев приходилось осаждать эту вершину несколько дней.

Готовясь к восхождению, Герр тщательно изучил контуры стены, слабо выраженные гребни, редкие выемки и выступы, за которые можно ухватиться рукой. Затем он соорудил у себя в сарае копию этого фрагмента скалы в масштабе 1: 1 (из цементных блоков, дерева и строительного раствора) и всю зиму тренировался, по несколько раз в день штурмуя макет. Когда пришла весна и Герр атаковал реальную Супертрещину, он успел настолько хорошо изучить маршрут и так основательно подготовиться, что чуть не достиг цели при первой же попытке, но все-таки упал. Тогда он снова начал штурм с подножия горы – и завершил восхождение менее чем за 20 минут. Не зря кое-кто называл Герра «вундеркиндом»[6].

И вот всего несколько месяцев спустя, в январе 1982-го, морозным утром Герр вгрызался ледорубами и кошками в отвесную ледяную стену горы Вашингтон. Он зафиксировался с помощью ледобуров, спустил тросы и начал закреплять страховку для Батцера, который находился ниже. Карабкаясь на стену, Герр опасливо поглядывал на огромные вертикальные снежные завалы над ними, понимая, что здесь велик риск схода лавины. Он старался держаться края лощины.

Альпинисты добрались до верхней части впадины примерно к десяти утра. Как раз в это время погодные условия начали меняться. Вокруг свирепо завывал ветер, так что им даже пришлось нырнуть за большой валун, чтобы посовещаться, иначе они не смогли бы услышать друг друга. Они находились всего на 1100 футов [335 м] ниже вершины. Им предстояло пройти около мили [1,6 км] по значительно более легкой территории, чем та, которую они только что покорили.

– Хочешь попробовать дойти до вершины? – спросил Герр.

– Думаешь, у нас есть шанс? – отозвался Батцер.

Выбравшись из-за валуна и вновь оказавшись среди завываний ветра, они снова начали подъем, надеясь вынести эту бурю. Двигались они неспешной пробежкой, сгорбившись, лицом к ветру. Но температура упала почти до нуля, а свирепые порывы ветра вскоре стали достигать 94 миль в час [около 40 м/с], они оглушали, они то и дело хлопали альпинистов своими обжигающе-ледяными пальцами. Видимость упала до пяти футов [1,5 м]. Батцер позже вспоминал, как снег летел в него почти горизонтально и как у него возникло жуткое чувство: если он прыгнет, чудовищные ветра просто подхватят его и зашвырнут в воздух на полтора десятка футов [4,6 м]. Это было уже слишком. Они преодолели всего несколько сотен футов, и им приходилось перекрикивать ветер, чтобы услышать друг друга. Кто-то из них прокричал: «Давай выбираться отсюда!».

Повернув обратно, они очутились в сплошной снежной пелене – так называемой белой мгле, когда невозможно понять, где лед, где небо, где горизонт. Чего там, Герр с трудом мог различить даже кисти собственных рук. Альпинисты находились на почти плоской поверхности с очень небольшим, почти незаметным углом наклона, и в условиях такой плохой видимости все направления казались им одинаковыми. Они могли попытаться рассчитать маршрут обратно, в безопасное тепло цивилизации, разве что исходя из того, откуда дул ветер, завывавший вокруг них, пока они поднимались. Но они не знали, что направление ветра с тех пор изменилось. Вместо того чтобы возвращаться тем же путем, каким они двигались вверх, альпинисты стали, сами того не зная, спускаться в систему оврагов, лощин и ущелий, которая выглядела обманчиво похожей на ту, через которую они планировали идти вниз.

Герр потом вспоминал: «Это был какой-то адский белый лабиринт».

Когда они осознали, что забрели не туда, и остановились посоветоваться, было уже поздно поворачивать назад. Оба согласились: ветры над ними стали настолько яростными, что выжить в таких условиях едва ли представляется возможным. Так что два парня продолжили спуск, надеясь на лучшее.

Герр и Батцер неведомо для себя оказались на краю огромной снежной пустоши. И они двигались прямиком в ее пасть.

Поначалу всё шло мирно. Когда они спустились пониже и вновь оказались среди деревьев, ветер утих, опять воцарилась бесценная тишина, и вокруг них лишь падали редкие снежинки. Однако вскоре Хью Герр и Джефф Батцер обнаружили, что приходится пробираться сквозь сугробы, которые им по грудь, прокладывая дорогу через незнакомые замерзшие потоки, мимо валунов, разбросанных среди высоченных елок, словно игрушки великана. Дневной свет начинал меркнуть, но они упорно двигались дальше, стараясь идти вдоль потока, который, казалось, делается всё шире и шире. У них не было особого выбора: почти везде снег лежал очень толстым слоем, доходя до ветвей деревьев, а значит, если бы путники ушли слишком далеко от берега, им пришлось бы прорывать под снегом целые туннели, чтобы не сталкиваться с ветками и сучьями. Но этот путь принес и неожиданную новую опасность: за первую ночь под ногами Герра дважды проламывался лед, и всякий раз альпинист чувствовал, как по колено погружается в безумно ледяную воду, пропитывающую его альпинистские ботинки.

Но путники продолжали движение. После наступления ночи они шли еще несколько часов, чтобы согреться, но в конце концов свалились под очередным валуном, укрылись ветками, которые обломали с окрестных сосен, и обнялись, грея друг друга. Они осторожно сняли ботинки. Батцер поделился своей одеждой с Герром, чьи падения пропитали водой всё, что было у него надето ниже пояса, к тому же эта вода вскоре замерзла.

Наутро путешественники вышли на заре и шли весь этот второй день, упорно ковыляя вперед. Они поняли, что оказались в какой-то безнадежной западне, и их отчаяние росло вместе с усталостью. К середине дня ноги у них стало сводить болезненной судорогой. Речная вода, остававшаяся в ботинках Герра, превратила его носки в твердые ледышки. Пот, накопившийся в ботинках Батцера, тоже затвердел. Весь этот лед лишь ускорял развитие переохлаждений и обморожений. Глубокий снег затруднял движение.

К началу третьего дня оба страдали от острого обезвоживания и очень ослабли. У Герра так онемели ступни, что он лишь с трудом мог поддерживать равновесие. Батцер вспоминает, как с тревогой заметил: его спутник погрузился в зловещее молчание. Два друга забрались под еще одну скалу и попытались согреться. Потом Батцер двинулся вперед один – в последней отчаянной попытке найти кого-то, кто им поможет. Но он сумел пройти меньше мили и повернул назад. К концу дня альпинисты начали смиряться с печальным фактом: возможно, они не выберутся отсюда живыми. Годы спустя Батцер вспоминал, как спрашивал Герра насчет веры и насчет того, готов ли он умереть в семнадцать лет. Оба отдали себя в руки Создателя.

Прошло еще три дня, прежде чем женщина в снегоступах случайно натолкнулась на их следы. Она обнаружила двух парней, скорчившихся и замерзших, под тем же валуном. Еще несколько часов – и они бы умерли. К тому времени погиб под лавиной один из членов поисково-спасательного отряда, отправленного им на выручку. И Герр, и Батцер получили серьезное обморожение.

Когда парней доставили в больницу, температура у Батцера упала до 32,2°, а у Герра она слегка колебалась около 33°. Врачи ампутировали Батцеру пять пальцев рук (включая один из больших), часть левой ноги и все пальцы на правой ступне. Герру не так повезло. Доктора ампутировали ему обе ноги чуть ниже колена. Этот многообещающий спортсмен, этот юный скалолаз с феноменальными задатками теперь, несмотря на всю свою железную волю и бесстрашие, больше никогда не будет таким же целым, как прежде.

Оказавшись у себя дома, в Пенсильвании, в эти опустошающие дни после ампутации Хью Герр постоянно видел один и тот же сон.

Ему снилось, как он невероятно быстро несется по кукурузным полям за родительским домом, в лицо ему светит солнце и дует ветер, и он почти летит. Это неописуемое ощущение свободы останется для него столь же ярким и десятилетия спустя. Проснувшись, он понимал, что под одеялом у него – культи ног. Ком в горле, пустота в груди, чувство утраты. Он с содроганием вспоминал снежную белизну и вой ветра. Врачи сообщили ему, что он больше никогда не сможет бегать или карабкаться на скалы.

Первые протезы Герра были сделаны из гипса. Они представляли собой твердые, неподвижные, безжизненные грузы на концах его живых обрубков. Протезист, подгонявший их, предположил, что в один прекрасный день Герр сможет ходить без костылей, но этим, видимо, и ограничится. Да, он сможет водить машину с помощью специального ручного управления. Но о скалолазании придется навсегда забыть.

Герр погрузился в глубокую депрессию. Но он не чувствовал себя окончательно побежденным и сломленным. И вскоре ему осточертело торчать в четырех стенах. Как-то утром Герр выкатился из постели и поползал по комнате, отталкиваясь от пола руками: ему хотелось понять, на что он сейчас способен. Вскоре после этого он, в сидячем положении, добрался до кухни (тоже, конечно, с помощью рук). Герр залез на кресло, переполз на разделочный стол, дотянулся до верхней части семейного холодильника и, повиснув на обеих руках, перекинул торс и культи с одной стороны холодильника на другую, словно преодолевая выступ, нависший над Супертрещиной. Потом сделал десять подтягиваний.

Герр спустился на кухонный пол, добрался до двери в подвал, слез по ступенькам вниз, а затем взобрался по их обратной стороне. Поднявшись и снова спустившись, он устало свалился на холодный цементный пол, облегченно смеясь. Он впервые после несчастного случая сумел принять по-настоящему вертикальное положение, как позже рассказывал Герр своему биографу – Элисон Осиус, участнице Всеамериканской альпинистской команды и многолетнему автору и редактору журнала Climbing [ «Скалолазание»]. Да, Герр лишился ног. Но никто не смеет заявлять, будто он теперь не может заниматься скалолазанием. Еще чего.

Через семь недель после того, как ему ампутировали нижнюю часть ног, Герр залез в машину к своему старшему брату Тони, и они отправились к череде утесов, возвышающихся вдоль реки Саскуэханна. Он годами проделывал на отвесных горных склонах всякие трюки, которые другие считали невозможными, но даже сам Герр поразился, как многое ему удалось в тот день. Ослабевший, еще только приходящий в себя после операций, Герр с трудом держался на своих недавно полученных искусственных ногах.

Но это при обычной ходьбе. Оказавшись на склоне горы, он ощутил себя совершенно по-другому – несмотря на то что теперь у него были искусственные конечности. Он замечает: «Для меня казалось куда более естественным ковылять на всех четырех, чем ходить».

К лету Герр вовсю экспериментировал со своими протезами в местной механической мастерской: он хотел приспособить их к лазанью на скалы. Каждые несколько недель он ездил в Филадельфию, чтобы встретиться с протезистом Фрэнком Малоном для очередной подгонки и очередных усовершенствований. Герр уже сам начал пытаться менять конструкцию своих новых ног, варьируя их длину и пробуя различные материалы, чтобы сделать протезы легче.

«Я понял, что моим протезам совершенно не обязательно походить на человеческие конечности, – говорит он. – Я мог с чистого листа создать любое протезирующее устройство, и главным для меня были их форма, функции и усиление моих возможностей».

Герр чувствовал себя очень глупо, напяливая альпинистские ботинки на концы протезов. Так что он выбросил ботинки и просто приклеил альпинистскую резину непосредственно к подошвам своих механических ног. Затем он стал работать над их формой. На труднейших объектах, где – как он планировал – ему придется стоять на узких скальных выступах шириной с десятицентовую монетку, обычные ступни – только помеха. Так что он спроектировал протез размером примерно с младенческую ступню. Он сконструировал пару ступней с пальцами, сделанными из ламинированных лезвий, которые он мог бы вбивать в крошечные щели в горной породе, слишком узкие для того, чтобы удержать нормальную человеческую ногу. Он создал еще одну пару шипастых ступней, которые позволяли ему карабкаться вверх по ледяным стенам, как по камню. Он сделал длину искусственных ног изменяемой: она могла достигать 7 футов 5 дюймов [2 м 26 см], поэтому он мог в поисках опоры и места для захватов дотягиваться руками и ногами очень далеко – гораздо дальше, чем любой обычный альпинист. По всей длине протезов, сделанных из алюминиевых трубок, Герр просверлил отверстия, тем самым сделав эти ноги такими легкими, что они лишь едва-едва выдерживали вес его тела, зато благодаря этому он мог делать с ними большее количество подтягиваний, а кроме того, подниматься на горы выше и быстрее.

«Благодаря технологическим новшествам я вернулся в свой вид спорта более сильным и умелым», – замечает Герр.

Другие скалолазы начали собираться небольшими группами у подножия крутых и неровных утесов, состоящих из обломочной породы, – просто чтобы посмотреть, как работает Герр. В сотне футов над рекой Саскуэханна он передвигался по отвесной каменной стене, по его накачанным бицепсам и плечам струились ручьи пота, сверкавшие под полуденным солнцем, его лицо являло собой сосредоточенную маску, его биологические ноги кончались культями в нескольких дюймах ниже колена, переходя в какие-то странные современные устройства, отливавшие металлическим блеском. Тело Герра стало легче. Он мог теперь двигаться быстрее, подниматься под немыслимыми для других углами, преодолевать немыслимые для других участки. Хью Герр не был никаким инвалидом. Его тело получило дополнительные возможности.

Потребовалось совсем немного времени, чтобы Герр задался довольно очевидным вопросом. Если он после небольших конструкторских ухищрений сумел так преобразить свои ноги, чтобы лучше залезать на скалы, чего он мог бы добиться, решив улучшить ноги для того, чтобы перемещаться по горизонтальному миру? Если он смог создать ноги, позволившие ему дотягиваться руками до каменных выступов, в подобных ситуациях обычно находящихся вне досягаемости альпинистов, что еще он мог бы сотворить?

Под холодным моросящим дождем я пересекаю вымощенную красным кирпичом дорожку, идущую через площадь Кендалл-сквер (город Кембридж, штат Массачусетс), и направляюсь в офис Хью Герра, расположенный в гладкобоком модернистском здании – одном из корпусов Массачусетского технологического института (МТИ). Прошло уже больше четверти века со времени этого несчастного случая и с той поры, когда юный вундеркинд изумлял собратьев-скалолазов своими модифицированными алюминиевыми ногами. Сегодня я не буду наблюдать за маневрами альпинистов на отвесных скалах. Однако вскоре после моего прибытия Герр совершает куда более запоминающийся физический подвиг. Он встает с кресла и надевает куртку. Он ведет меня вниз по лестнице, а затем через занесенную снегом площадь. Он движется быстрой, целеустремленной походкой.

Герр обут в дорогие итальянские ботинки и одет в зеленую куртку-пуховик. Его «ноги» не видны под модельными джинсами. Я пытаюсь обходить наледи и спотыкаюсь на неровной земле, а он непринужденно болтает о том, в каком ресторане нам лучше посидеть. Если бы я не знал о несчастном случае, если бы я не слышал это слабое металлическое поскрипывание, которое словно бы ускоряется и замедляется при каждом изменении в бодрой поступи Герра, я бы, наверное, и не подумал, что этот подтянутый, брызжущий жизненной силой мужчина атлетического телосложения, еще без всяких намеков на лысину, в другие времена – в любые другие времена – считался бы безнадежным инвалидом.

Впрочем, не успел я войти к нему в кабинет, как Герр с невозмутимым видом задрал свою отлично выглаженную штанину, чтобы показать мне, насколько далеко его завели инженерные приключения с тех первых дней, когда он ковырялся со своими протезами много лет назад.

Пятью дюймами ниже коленей, в том месте, где врачи некогда провели ампутацию, природные ноги Герра переходят в алюминиевые трубки дюймового диаметра, а еще ниже виднеется множество серебристых шестерен и проводов, питающих плоские черные ступни, напоминающие шлепанцы.

Каждая из этих бионических конечностей содержит три внутренних микропроцессора и прибор для измерения инерционного движения размером с четвертак. Вообще-то эту штуку разрабатывали для систем наведения ракет, но здесь она отслеживает и корректирует положение ступни в пространстве, реагируя на изменение в характере поверхности и в скорости ходьбы – и позволяя Герру отталкиваться от земли в семь раз сильнее, чем лучшие из предыдущих протезов, и при этом тратить меньше сил. Искусственные ноги Герра снабжены моторчиками и могут, приноравливаясь к обстоятельствам, до 500 раз в секунду изменять свои параметры – углы по отношению к поверхности и остальному телу, общую жесткость, крутящий момент. Герр называет их «роботами, которые ты носишь, словно обувь».

«Скоро придет день, когда такого рода приспособления будут не более необычными, чем очки, с помощью которых многие из нас сегодня улучшают свое зрение», – говорит он мне.

Конечно же, это некоторая натяжка – сравнение бионических конечностей Герра с парой очков. Уже само это «железо» кажется (и не зря) очень впечатляющим, сложно устроенным и высокотехнологичным. Еще сложнее и высокотехнологичнее используемый в нем «софт», а ведь он вдобавок еще и опирается на реальную информацию, определяющую точно выверенные движения множества составных частей этих роботов, сделанных по последнему слову техники. Первые протезы, который Герр много лет назад соорудил для лазанья по скалам, отличались от природной конструкции мириадами разнообразнейших особенностей, выбранных довольно-таки произвольно: взять хотя бы эти насадки, которые удлиняли его конечности до 7 футов 5 дюймов, или ступни младенческого размера, или пальцы ног с лезвиями на концах. Герр с готовностью принял возможность освободиться от присущей человеку формы и всячески экспериментировать. Он мечтал, что когда-нибудь сможет надеть крылья на свои нижние конечности. Но с тех пор, как 20 лет назад Герр приехал в массачусетский Кембридж для того, чтобы получить диплом МТИ, усилия изобретателя увели его в противоположном направлении. Пожалуй, он и сам такого не ожидал.

Исследуя инженерные проблемы, которые ставит перед изобретателями обычное движение человека, и отклоняясь от этого «биологического прецедента», Герр постепенно стал ценить утонченную сложность и своеобразную гениальность естественной формы человеческого тела. И он осознал: для того, чтобы эффективно дополнять и улучшать тело, нужно первым делом заняться обратной инженерией и расшифровкой тех решений, к которым природа прибегает на самом микроскопическом уровне. А потом уж имеет смысл пытаться усовершенствовать эти решения. Герр понял, что в процессе этой работы ему, возможно, удастся помочь многим людям.

Сегодня Хью Герр – один из ведущих дизайнеров-протезистов мира. Он создает и устройства, которые восстанавливают функции, утраченные инвалидами, и приспособления, которые расширяют возможности абсолютно здоровых людей. Изучая то, как человек движется (то, каким именно образом наши связки, сухожилия и мышцы накапливают, передают и высвобождают энергию), Герр и его коллеги преобразуют наше восприятие собственных врожденных ограничений. И это позволило Герру сделать нечто такое, что он долго считал для себя невозможным, уже почти смирившись с такой невозможностью.

Хью Герр снова ходит – по-настоящему ходит.

Можно представить себе человеческое тело и те его составляющие, которыми мы пользуемся при движении, как несложную систему тяг и блоков – например, такую, при помощи которой управляют марионетками. Наши кости – «строительные леса», которые придают форму этой системе. Мышцы и сухожилия – «приводы», которые движут этими лесами, дергая их в ту или другую сторону. Связки удерживают все это вместе. Именно посредством такой системы Герр взбирался на свои горы; именно благодаря ей я поднимаю и ношу свою четырехлетнюю дочь, а потом осторожно укладываю ее в кровать, когда она заснет; именно так все мы осматриваемся, впитывая информацию о том, что нас окружает, и затем протягиваем руки, чтобы изменять мир. Тяги и приводы – вот что всем этим движет.

Но если всмотреться чуть пристальнее, мы увидим: то, что могло бы показаться немудреной системой, на самом деле устроено гораздо изощреннее. Эти основные компоненты, объединившись в несметном количестве, образуют сложнейшую паутину, способную не только управлять движением в реальном времени, но и накапливать, передавать, выбрасывать и снова аккумулировать невидимый ингредиент, который делает возможным всякое движение, – энергию. Мириады суставов, сухожилий, мышц и костей нашего организма согласованно действуют для того, чтобы жонглировать этим основополагающим параметром, хранить его и в нужные моменты высвобождать. Эти методы природа оттачивала на протяжении тысячелетий, стремясь к максимальной эффективности. И много столетий из-за обескураживающей сложности этих процессов мы не понимали, каким же именно образом эти разнородные компоненты сочетаются друг с другом и совместно функционируют для того, чтобы вырабатывать, хранить и высвобождать энергию, необходимую нам для того, чтобы бросить камень, побежать по равнине или даже просто проявить одну из основных человеческих способностей – пойти на двух ногах. Если человеческое тело и представляет собой систему тяг, то эти тяги словно бы сделаны из резинок. И эти эластичные полоски сплетены воедино куда более затейливо, чем паучья сеть с ее относительной симметричностью.

«Для того чтобы в точности воспроизвести хотя бы двухмерные движения человеческой руки, нужно одновременно измерять параметры 29 различных мышц, которые совместно действуют, уравновешивая друг друга», – отмечает Патрик ван дер Смагт, возглавляющий лабораторию робототехники и машинного обучения в Мюнхенском техническом университете. Ван дер Смагт входил в состав группы, которая пыталась сконструировать бионическую руку.

Согласно большинству современных оценок, в организме человека примерно 206 костей, 360 суставов, 700 мышц, 4000 сухожилий и 900 связок. На протяжении почти всей истории человечества ни у кого не было инструментов для того, чтобы эффективно измерить их параметры, не говоря уже о том, чтобы эффективно воспроизвести что-нибудь из этих штук. Ими больше занимались художники и скульпторы, а не ученые. И в медицине попросту не существовало аналогов Витрувианского человека, которого изобразил Леонардо да Винчи, показав с помощью круга пропорции человеческого тела.

Хью Герр столкнулся с этим реальным положением дел самым наглядным и опустошающим образом – после того, как с ним произошел несчастный случай. До утраты нижних частей ног он мало задумывался о том, как человеческая нога взрывным толчком отскакивает от земли, порождая движение. Но в первые дни после инцидента, когда Герр пытался как-то приспособиться к своим новым гипсовым «ногам», ему трудно было думать о чем-то другом. К его культям прикрепили жесткую, неподвижную, безжизненную тяжесть, которая тянула его вниз, а не толкала вверх, как делают все нормальные ноги. Вначале Герру повезло: он сумел удрать от всего этого в страну скалолазов, ставшую для него убежищем, где можно нарушать обычные законы земного тяготения и где он мог по-настоящему расцвести. Поднявшись на тысячи футов, он окидывал взглядом бесконечные акры грубых каменистых откосов, панорамы зеленых долин и быстрых ручьев, – и чувствовал себя свободнее, чем когда бы то ни было.

Но в конце концов ему даже этого перестало хватать. Жесткие протезы Герра не обладали естественной упругостью, которую дают ногам обычные сухожилия лодыжек и ступней. Когда он ходил, протезы до крови натирали ему культи и заставляли его слишком сильно напрягать коленные мышцы. Некоторые из его искусственных ног были снабжены ступнями, которые могли помещаться в обычной обуви, и их пластик часто имел цвет обычной кожи, чтобы протез походил на нормальную ногу. Но, если честно, эти палкоподобные протезы все равно были немногим лучше деревянной ноги ветерана американской Гражданской войны: получалось, что с XIX в. в этом смысле почти ничего не изменилось.

Чем больше Герр возвращал себе свободу движений по вертикальной скале, тем больше его огорчали те ограничения, которые он испытывал, перемещаясь по обычной горизонтальной поверхности. И тем больше он убеждался: ему нужно хоть что-то предпринять.

«Медицинское сообщество норовило всучить мне эти приспособления и заявить: это самые лучшие, как-нибудь проживешь с ними, – говорит Герр. – Я просто не мог смириться с этим: неужели то, что они мне дают, – это лучшее из того, что мы можем произвести?»

И вот однажды вместо того, чтобы попытаться сделать ногу, более удобную для лазанья по скалам, Герр начал пытаться сделать ногу, которая не причиняла бы ему такую жуткую боль при ходьбе. Сначала он попробовал подбивать чашки протезов кожей и резиной, чтобы смягчить эту зону соприкосновения с культями. А потом Джефф Батцер, друг Герра, выживший вместе с ним после памятного восхождения на гору Вашингтон, познакомил его с протезистом и техником-ортопедом Барри Гостняном, который согласился попробовать помочь Герру развить его идеи. Вдвоем они устроили мозговой штурм. Гостнян, в свое время служивший авиамехаником во Вьетнаме, вспомнил гидравлические амортизаторы, которые использовались в самолетных шасси. «Может быть, – предположил он, – определенного рода гидравлическая подушка смягчит трение в чашке протеза?»

Осенью того же года Герр поступил в Миллерсвилльский университет – государственное учебное заведение в Центральной Пенсильвании. Раньше он всегда был посредственным учеником, получая в основном C, а иногда и D: обстановка в классе отнюдь не действовала на него вдохновляюще. Но теперь у Герра появились веские причины атаковать изучаемые предметы с такой же сосредоточенностью и интенсивностью, как и при подготовке к штурму Супер-трещины. Врожденную точность работы и терпеливую стойкость, которые Герр проявил, сооружая свою гигантскую копию скалы в родительском сарае, он теперь направил на освоение математики и физики.

Ко времени окончания университета Герр уже получил совместно с Гостняном патент на чашку протеза с надувными прокладками-пузырями, призванными уменьшить болезненное натирание. Эти «подушки», сделанные из мягких и гибких полиуретановых мембран, располагались везде, где участки его культи, несущие на себе тяжесть тела, давили на выемку протеза: тем самым они смягчали воздействие этого давления на культи именно там, где это необходимо.

Между тем Герр завершил восхождение из глубин учебной апатии на впечатляющие высоты: не менее удивительный подвиг, чем его знаменитый подъем на Супертрещину. Когда-то он получал только C и D, вяло отбывая школьную повинность и мечтая о скалолазании. Теперь же он по всем предметам зарабатывал только высшую оценку – А. Мало того: в придачу к отличным отметкам и патенту Герр еще и получил приглашение в аспирантуру МТИ по специальности «Механическая инженерия».

В IV в. римский теоретик и историк военного дела Публий Флавий Вегеций Ренат подробнейшим образом описал одну из самых устрашающих боевых машин своей эпохи – катапульту. Это универсальное оружие могло выпускать по врагу снаряды различного типа и применялось для выполнения множества задач. Так, с его помощью вы могли сшибать целые легионы неприятельских воинов, словно кегли, или проламывать стены города, который вы осаждаете, или – как это очень любили делать монголы – забрасывать на площади вражеских городов заразные трупы жертв бубонной чумы, чтобы привести в ужас местных жителей.

Само это устройство представляло собой чудо тогдашней техники. Однако один из его ключевых компонентов существовал столько же, сколько существовал на Земле класс млекопитающих. Вегеций отмечает, что лучшие пружины, эти гигантские «резинки», которые использовались в таких боевых машинах для выбрасывания в воздух смертоносных снарядов, делались из воловьих жил – сухожилий, извлеченных из шей быков или волов. В других катапультах применялись свитые косичкой канаты, сделанные из ахиллесовых сухожилий тех же животных.

Современные ученые иногда с удивлением оглядываются на эти примеры древнего хитроумия и иронически улыбаются: некоторые из них упоминали об этих случаях, когда я беседовал с ними, готовя свою книгу. Несмотря на то что еще в IV в. очень многие хорошо знали о любопытных свойствах сухожилий, потребовалось еще 16 столетий, прежде чем мы начали понимать ту важнейшую роль, которую необычайная эластичность сухожилий играет в биомеханике движений человека и животных, особенно их ходьбы и бега.

Забавно, что открытие, с которого начались эти новые исследования, тоже совершил уроженец римских земель. В 1950-е гг. Джованни Каванья, физиолог из Миланского университета, набрал добровольцев для занятий на беговом тренажере, оснащенном пластинами, чувствительными к нагрузке и способными измерять и записывать ту силу, которую человек прилагает к поверхности при каждом шаге. Оценив количество выдыхаемого при этом углекислого газа и потребляемого при этом кислорода (вероятно, он воспользовался результатами предшествующих экспериментов, где эти параметры измерялись с помощью специальной маски), Каванья сумел рассчитать количество калорий, расходуемое при каждом шаге, и сравнить его с той силой, которую при этом порождает бегун. Результаты поразили ученого. Получалось, что испытуемые потребляют значительно меньше кислорода, чем требовалось бы для выработки того количества энергии, которую они, судя по всему, генерировали для каждого своего шага. Получалось, что если его расчеты верны (а Каванья, конечно же, проверил их не один и не два раза), то «дополнительная» энергия шагов должна браться откуда-то еще. И тогда исследователь выдвинул революционную гипотезу: «Почти половина этой энергии, – предположил он, – порождена таящейся в ногах «энергией эластичного отскока», какой-то формой динамически накапливаемой мощи, которая способна придать вашей походке больше живости». Ученый решил: не исключено, что нога ведет себя как своего рода пружина.

Какое-то время его гипотеза оставалась лишь гипотезой, но вскоре британский зоолог Роберт Макнил Александер почти случайно наткнулся на первые факты, позволяющие начать разбираться в том, как работают такие пружины. Александер заметил, что лошади иногда ломают ноги, прыгая через препятствия, и задался вопросом, почему это происходит. Ему хотелось узнать, какую именно нагрузку акт прыжка создает в нижних конечностях млекопитающих и насколько эта нагрузка близка к той, при которой нога ломается.

Чтобы выяснить это, Александер обучил немецкую овчарку по кличке Счастливчик скачками нестись по длинному коридору возле лаборатории, где работал ученый, и затем запрыгивать на специальную платформу. Перед самым прыжком датчики, вмонтированные в пол, записывали ту силу, с которой лапы собаки давят на поверхность пола, а камера фиксировала положение всех составных частей задних ног Счастливчика (дополнительно помеченных светоотражающей лентой и фломастером-маркером). Введя все эти данные в уже известные математические уравнения, Александер сумел рассчитать, какую силу развивает каждая часть ноги Счастливчика, когда он прыгает вверх.

Располагая этими сведениями, Александер произвел рассечение недавно умершего пса почти таких же размеров (труп он получил у ветеринара), а затем с помощью прецизионных лабораторных приборов приложил к частям ног мертвой собаки такие же силы, которые возникали при прыжке Счастливчика. Ученому хотелось понять, насколько близко эти силы подводят части ног к «точке перелома» и какую дополнительную силу нужно приложить, чтобы перелом произошел. Но чтобы это выяснить, требовалось разобраться, как взаимодействуют друг с другом все эти части ног. Александер сразу же заметил, что собачья мышца не очень-то движется вне зависимости от того, что вы с ней делаете. Но когда исследователь приложил к ахиллесову сухожилию ту силу, которая, по его расчетам, должна воздействовать на него при прыжке, он поразился.

«В то время любой анатом сказал бы вам, что сухожилие нерастяжимо, что сухожилие не обладает эластичностью, – вспоминает он. – Но мы пришли к выводу, который тогда показался нам совершенно потрясающим».

Когда рассчитанную силу приложили к сухожилию Счастливчика, оно растянулось на целых 3 см. Впоследствии Александер убедительно продемонстрировал на примере довольно экзотического набора других животных (в их число вошли разные виды кенгуру и верблюд), что «пружинами» ноги млекопитающего являются не мышцы, как многие предполагали, а сухожилия.

Александер заключил, что особенно существенную роль играет при этом ахиллесово сухожилие: на его долю приходится около 35 % энергии, которую мы используем при беге. Изучая ампутированные ступни человека (результат операций, которым подверглись страдающие некоторыми болезнями периферийных сосудов) и нижние части ног верблюдов, Александер вскоре выявил еще одну природную пружину: она располагалась в своде стопы и, по его расчетам, обеспечивала еще 17 % энергии, необходимой ноге для каждого бегового шага. Вместе эти два сухожилия-пружины дают примерно половину той энергии, которую мы во время бега используем при каждом шаге. Так Александер разгадал тайну, с которой некогда столкнулся Каванья.

Позже ученые выяснили, что при сокращении мышца служит чем-то вроде стенки-упора, перенаправляющей энергию, которую поглощают сухожилия в тот момент, когда нога ударяется о землю, обратно вниз, тем самым заставляя сухожилия растягиваться подобно резинкам, накапливая потенциальную энергию. Чем жестче при этом мышца, тем сильнее растягивается сухожилие и тем больше количество запасаемой энергии.

Молодой гарвардский аспирант Норм Хеглунд расширил сферу этих исследований, обратившись к более крупным и менее кротким животным. Вскоре после того, как вышла статья Александера о кенгуру, оказавшая немалое влияние на ученый мир, Хеглунду поручили незавидное задание – колошматить палкой по крышке кастрюли и орать во все горло, чтобы напугать, улестить и убедить целый ковчег довольно здоровенных тварей, заставив их носиться взад-вперед по коридору, проходящему по подвалу при лаборатории Каваньи в Миланском университете. Наблюдая за этим с безопасного расстояния, группа более почтенных исследователей записывала результаты забегов при помощи видеокамер и пластин, чувствительных к нагрузке. Среди подопытных животных Хеглунда были два медвежьих макака[7], дикая индейка, долгоног, пара собак, баран весом около 185 фунтов [84 кг] и кенгуру.

«Хуже всего дело обстояло с мартышками, – вспоминал Хеглунд много лет спустя, – потому что они очень смышленые. Уставая от бесконечных повторений одного и того же эксперимента, они начинали вопить и повсюду носиться, делая всё что угодно, только не то, чего вы от них хотите. Потом они принимались гадить себе в ладони и метать в вас своими экскрементами. Наконец они просто физически атаковали вас. В ход шли зубы, ногти и всё прочее».

В итоге Хеглунд, Каванья и Чарльз Ричард Тейлор, гарвардский биолог, руководивший знаменитой Конкордской биостанцией, выявили две отличающиеся друг от друга схемы передвижения, позволяющие эффективно накапливать и расходовать энергию. Первая модель объясняла бег, вторая – ходьбу.

При беге пружинообразные сухожилия растягиваются в тот момент, когда нога ударяется о землю, и изменяют форму, чтобы накопить упругую (механическую) потенциальную энергию. Когда наша ступня отрывается от поверхности, сухожилия высвобождают эту накопленную энергию, словно резинка, и придают нам импульс, направленный вперед и вверх – и переходящий в наш следующий беговой шаг. «По сути, – объясняет Хеглунд, – при беге мы передвигаемся небольшими прыжками, словно баскетбольный мяч или пружинная ходуля „пого“».

Отметим, что при этом наши икроножные мышцы укорачиваются и удлиняются главным образом для того, чтобы менять жесткость системы, служа как бы регулятором громкости для ахиллесовых сухожилий. Чем жестче мышца, тем сильнее она натягивает сухожилие, а значит, тем большее напряжение к нему прикладывается. (Допустим, при пробежке нам попалась на пути лужа. Чтобы изменить длину шага, мы сгибаем ногу, делаем икроножную мышцу жестче, сжимаем сухожилие: это позволяет нам сделать короткий беговой шажок, после чего мы используем запасенную при этом энергию для того, чтобы перемахнуть через водную преграду.)

Эта же команда ученых выделила и другой тип движений, необходимый для ходьбы. Если при беге мы словно бы подпрыгиваем, как баскетбольный мяч, то при ходьбе наше тело сохраняет энергию скорее как качающийся маятник – еще одно рукотворное устройство, остроумно сконструированное для накопления и преобразования энергии. Точнее, при ходьбе наше тело действует как перевернутый маятник: туловище играет роль груза, закрепленного на нити, а нога играет роль собственно нити. Как и в случае обычного маятника, при ходьбе центр масс нашего тела то поднимается, то опускается, ускоряясь и замедляясь при каждом шаге. Нога при этом также совершает ритмические движения, расходуя энергию и теряя скорость, пока конечность идет вверх, преодолевая силу земного притяжения, и снова приобретая энергию, импульс и скорость на пути вниз, когда те же гравитационные силы, которые замедляли ее на пути вверх, толкают ее вперед. По оценкам Каваньи, этот силовой цикл, движимый гравитацией, обеспечивает до 60–65 % энергии, направляющей вперед каждый наш шаг при ходьбе, так что на долю мышц остается всего 35–40 %[8].

Работы Каваньи, Тейлора и Хеглунда позволили дать научное объяснение тому, чего не хватало старомодным протезам Хью Герра. В нормальной ноге сухожилия и мышцы тела образуют хитроумную сеть, способную передавать энергию туда-обратно, накапливать и высвобождать ее. Когда Герр ходил на своих безжизненных подпорках, не могло быть и речи о каких-то имеющихся в них мышцах или сухожилиях, которые захватывают и перерабатывают энергию: эти штуки просто висели на нем мертвым грузом. Разумеется, вскоре осознание этого факта сыграло важнейшую роль в усилиях Герра и его коллег по коренному преобразованию сферы дизайна протезов.

Однако, приступив к изучению основ биомеханики, Герр тут же задался еще одним вопросом: может ли он использовать эти открытия для того, чтобы еще лучше взбираться на вертикальные поверхности?

В один ясный день, года через два после завершения своих аспирантских штудий в МТИ, Герр добрался до знаменитого колорадского каньона Эльдорадо, расположенного близ Боулдера, в иззубренных предгорьях Скалистых гор. Он был в отпуске. На нем был облегающий спортивный костюм из черной лайкры. Его ляжки балансировали на паре коротеньких металлических стержней, прикрепленных к ступням младенческого размера. Но больше всего в его облачении бросалось в глаза то, что змеилось из флуоресцентной желтой скалолазной укладки, опоясывающей его тело.

Вместо обычных страховочных тросов и металлических зажимов, которые использует большинство скалолазов, Герр присоединил к своей «упряжи» длинные эластичные нити, похожие на сплетенные в косички резиновые полоски. Другие концы нитей он закрепил на внутренней части рук, ближе к плечам. Он назвал этот наряд «костюмом Человека-паука». Для тех, кто все-таки не обратит внимания на эту супергеройскую тему, Герр внес в свое восхождение еще один элемент: он стал подниматься на отвесную скалу без всяких страховочных веревок.

Всякий раз, когда смельчак тянулся вверх в поисках новой опоры для руки, паутина резинок, соединяющих его трицепс с упряжью, натягивалась подобно набору синтетических сухожилий, заставляя его преодолевать это сопротивление с помощью трицепса и мышц спины. Эта паутина создавала дополнительное сопротивление и для пальцев, когда он раскрывал ладонь и тянул руку вверх, чтобы ухватиться за подходящий выступ или выемку. Вся потенциальная энергия, получаемая таким образом, накапливалась в его костюме Человека-паука благодаря искусственным сухожилиям, вытягивающим энергию из тех групп мышц, которые обычно пребывали в праздности во время восхождений Герра.

А затем, когда Герр подтягивался вверх, используя уже другую группу мышц, эластичная паутина постепенно отдавала накопленную энергию, помогая ему подниматься и вдвое уменьшая нагрузку на его плечи и бицепсы. Вскоре Герр уже оказался на высоте шестиэтажного дома.

На видео, которое было тогда снято, можно увидеть его партнера, никакого не инвалида, пытающегося угнаться за Герром, который первым достигает вершины и победно вскидывает кулак. Он по-прежнему был полон задора. И благодаря новым технологиям он развивал свои возможности еще дальше.

«Можно ли, присоединив к телу какой-то механизм, извлечь из тела больше работы, прежде чем оно устанет? – спрашивает Герр. – Я задался этим вопросом. Ответ – да. В сущности, вы как бы удваиваете мышечную массу, но общая нагрузка остается той же, поэтому вы можете сильно отсрочить наступление усталости. Попросту говоря, благодаря этому приему можно сделать человека вдвое сильнее».

У Герра возник и другой вопрос, на который его вдохновили приобретенные познания. Может быть, он сумеет использовать то, что известно о природных пружинах тела человека и других животных, для увеличения скорости бега? Чтобы это выяснить, он стал конструировать кроссовки нового типа. В каждой имелось по две пружины – на пятке и на носке. Герр соединил эти пружины углеродной полоской, идущей по всей длине подошвы обуви. Когда пятка бегуна ударяется о землю, пяточная пружина сжимается, накапливая потенциальную энергию. По мере того как ступня наклоняется вперед, постепенно перенося туда же вес тела, потенциальная энергия пяточной пружины распространяется под точками контакта стопы с землей, пока не достигнет носка. А затем, в тот момент, когда бегун отрывает носок от земли, передняя пружина отдает свою энергию, придавая бегуну дополнительный импульс, направленный вперед. Герр провел множество экспериментов и наконец определил оптимальные места размещения пружин для такого усиления энергии. Система позволяла не только увеличивать скорость бега и снижать метаболические затраты на бег, но и на целых 20 % уменьшать силу воздействия бега на суставы.

Герр предложил свои кроссовки компании Nike, которая отнеслась к его изобретению весьма серьезно, поскольку даже обратилась к гарвардцу Томасу Макмэхону, одному из тогдашних ведущих специалистов по биомеханике, чтобы он оценил идею. И хотя компания в итоге все-таки не стала заниматься этим продуктом, он произвел большое впечатление на Макмэхона. Так Герр нежданно-негаданно заполучил идеального наставника, способного вывести его творения на следующий уровень. В 1990 г. Макмэхон выстроил подробную физико-математическую схему, которая стала основой для всех дальнейших работ в этой сфере, поскольку сводила сложнейшую динамику человеческого передвижения в пространстве к довольно простым уравнениям, позволявшим делать точные предсказания насчет движения.

Макмэхон уговорил Герра записаться на курс, который он читал в Гарварде, а позже стал научным руководителем диссертации альпиниста. Макмэхон предложил не воспринимать все эти суставы, мышцы, сухожилия и связки ноги как отдельные детали, а рассматривать всю конечность как одну пружину. Благодаря такому подходу ахиллесово сухожилие и природные пружины свода стопы можно было считать просто звеньями единого прыгучего механизма. Метод сработал, поскольку, как и в случае цельной пружины, ту силу, которую развивает конечность, и степень сжатия конечности можно выразить через еще один упрощенный параметр – совокупную нагрузку со стороны различных частей тела, воздействующую на единичную точку в пространстве (и оказывающую на нее давление, направленное вниз или «вовне»). Физики называют эту штуку точечной массой.

Макмэхон показал: если известна точечная масса и угол, под которым, например, ступня соприкасается с землей, можно предсказать, сколько времени нога проведет на поверхности, прежде чем подскочить вверх, и насколько она при этом сожмется. Можно определить, с какой «взрывной» силой нога будет отрываться от земли и как центр масс движущегося человека будет перемещаться по воздуху между шагами. Верно и обратное: если измерить, сколько времени нога остается на земле между шагами, можно (узнав и некоторые другие параметры) рассчитать точечную массу.

Под руководством Макмэхона неутомимый Герр несколько месяцев разбирался в изящной и чарующей механике движения лошадей, скачущих галопом. Может показаться, что временами все четыре ноги животного одновременно находятся в воздухе: пожалуй, биомеханика лошадей позволяет им подойти к состоянию полета ближе, чем каким-либо другим четвероногим. Однако эта биомеханика долго оставалась тайной для человека. Как скакуны ухитряются сохранять равновесие? Герр пришел к выводу, что лошадь использует свои ноги в качестве податливых пружин, идеально откалиброванных для того, чтобы обеспечить оптимальную жесткость, которая способствует и высокой стабильности, и высокой скорости, создавая тонко выверенный баланс – максимизируя время пребывания в воздухе так, чтобы при этом животное все-таки еще могло контролировать свое движение. После кропотливой работы Герр построил математическую модель, которая смогла выразить собой разгадку этой тайны и объяснить, почему лошадиный бег так изящен.

Герр получил кандидатскую степень, смоделировав динамику передвижения целого ряда четвероногих животных – от мышей до слонов. Но в ходе этой работы Герр начал обдумывать более амбициозный проект, хотя многие в то время сочли бы его попросту неосуществимым. Годами Герру приходилось полагаться на жесткие, неуклюжие протезы, которые совершенно не позволяли проявлять подвижность, мощь и непринужденность, какими некогда обеспечивали его природные ноги. Он вынужден был карабкаться на скалы, чтобы ощутить вкус подлинной свободы движений. Теперь же Герр задумался, нельзя ли сконструировать устройство получше. Ему хотелось заполучить искусственные конечности, которые позволили бы ему ходить почти так же, как на обычных человеческих ногах, с которыми он родился.

Хью Герр поднимается с кресла в своем кабинете со стеклянными стенами, расположенном на третьем этаже Медиа-лаборатории МТИ, и ведет меня по узенькому мостику, откуда открывается вид на гигантское рабочее пространство. Держась за металлические перила винтовой лесенки, Герр аккуратно и без видимых усилий спускается вниз на паре механических ног, которые сделал он сам.

Вскоре мы оказываемся в колодце просторной лаборатории – мастерской чародея-механика, где громоздятся штабеля ящиков с инструментами, где длинные верстаки завалены молотками, дрелями и проводами, где полным-полно индивидуальных клетушек-ячеек для каждого бойца небольшой армии аспирантов и молодых инженеров, работающих с Герром. Целые заросли проводов свисают со столов, исчезая в невидимых приборах и двигателях, таящихся в металлических шкафах и коробках: чем-то это напоминает джунгли, захватившие форт. Если такой беспорядок – признак творческого таланта, то здесь явно не испытывают недостатка в идеях.

Мы находимся в самом сердце амбициозного проекта, руководимого Герром. Цель проекта – разгадать тайны человеческого движения и использовать эти знания для того, чтобы конструировать бионические части тела, способные воспроизводить это движение, а иногда и превосходить возможности, которые дала человеку природа.

Вслед за Герром я направляюсь к его новому 3D-принтеру, который он намерен использовать для печати протезов. Затем мы проходим мимо верстаков, на которых лежит масса отдельных искусственных рук и искусственных ног; эту картину кое-где разнообразят мониторы. Наконец мы останавливаемся перед одной из самых заметных и необычных достопримечательностей помещения – длинной дорожкой бегового тренажера, чуть приподнятой над полом. По форме она походит на изрядный фрагмент движущейся ленты, по которой мы ходим в аэропортах. На дорожку устремлены под разными углами более 30 камер: какие-то свешиваются с потолка, какие-то располагаются вокруг.

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.

Чтобы наглядно следить за своими достижениями, Герр создал собственного виртуального двойника. Изобретатель демонстрирует мне его на большом мониторе.

Это примитивное изображение туловища с ногами, которое бредет по экрану, словно пьяный или слепой. Хотя графика здесь самая простая, нижние конечности этой мультяшной фигурки состоят из сотен виртуальных сухожилий, мышц и костей, и каждый из этих элементов запрограммирован так, чтобы служить моделью той или иной части реальной человеческой ноги. Какой крутящий момент прикладывается суставом к лодыжке или колену? Каков уровень электрической активности в той или иной мышце? Как и когда сухожилия ноги захватывают и высвобождают энергию? Схематический рисунок человечка вбирает в себя все эти данные и отображает их на экране, показывая, как реальный человек (возможно, с завязанными глазами) будет ходить, соблюдая все физические законы движения.

Те же математические описания, определяющие, каким образом ходит виртуальная фигурка, задействованы в программах, контролирующих движение составных частей икроножно-ступневых протезов, которые в этот самый день носит Герр.

Поразительна сама мысль о том, что сейчас, когда я стою с ним рядом, крошечные микропроцессоры, спрятанные где-то внутри всех этих механизмов, невидимых сквозь штанины, способны каждую секунду выполнять невообразимо сложные расчеты, управляя поведением всех-всех частей бионических конечностей Герра. Изобретатель вывел эти формулы на основе измерений и наблюдений, производимых в реальном мире. При этом он исследовал не только то, как реальные человеческие конечности ведут себя по отдельности, но и то, как они взаимодействуют друг с другом. Так, жесткость механического лодыжечного сустава в каждый данный момент может зависеть, в частности, от того, с какой силой моторчики протеза, воспроизводящие природную икроножную мышцу, воздействуют на приводы, воспроизводящие ахиллесово сухожилие. Однако здесь может оказывать свое влияние и то, в какую сторону повёрнут коленный сустав и на какой угол он согнут: возможно, тем самым учитывается скорость, с которой нижняя часть ноги движется вперед или вниз. Короче говоря, в каждое мгновение приходится иметь в виду несметное количество самых разных факторов.

Но компьютерная программа, разработанная Герром, не говорит всей бионической ноге, как ей шевелиться. Изобретатель любит подчеркивать, что это не «проигрыватель», который лишь воспроизводит заданные движения.

«Проигрыватель тут бы не сработал, – отмечает он. – Вдруг вы наступите на банановую кожуру?»

Вместо этого электронная начинка, тщательно запрограммированная Герром и его командой, сообщает каждой отдельной части бионической конечности, как реагировать на множество разновидностей «входящих сигналов», поступающих извне. Такая реакция проявляется, например, в степени натяжения искусственных сухожилий или в углах сгиба искусственных связок и уровне напряжения искусственных мышц, которые окружают эти сухожилия. Как и обычная нога, робоконечность Герра представляет собой систему динамического сотрудничества многих различных частей, толкающих и тянущих друг друга, сгибающихся, растягивающихся, сжимающихся. Он объясняет, что в результате «появляются» качества и поведение, которые иногда удивляют даже его самого.

«Мы не говорим модели, как двигаться, – заявляет он. – Это модель говорит нам, как она движется».

«Сенсоры, которые установлены на протезах, проводят измерения, и эти данные вводятся в модель, и модель сообщает нам, насколько жестким должен быть тот или иной сустав в определенное время и какую силу он должен развивать, – добавляет Герр. – А значит, поведение физического, материального протеза диктуется этим математическим описанием поведения организма. Эта штука ведет себя так, словно обладает мышцами и сухожилиями, хоть она и сделана из алюминия, кремния и углерода. Несмотря на то что она сплошь состоит из синтетических деталей, она ведет себя так, словно это плоть и кости».