Одни из самых полезных сведений о том, как люди бегают (и ходят), ученые получили благодаря попыткам создать роботов, которые могут ходить и бегать, как люди. Первые двуногие машины, способные ходить, были созданы в 1893 году. Это были машины, а не роботы, потому что они были полностью механическими и не содержали в себе никакого компьютера, контролирующего движения. Первый двуногий робот с компьютером-контроллером был создан только в 1966 году. Это изобретение симулировало человеческие движения лучше, чем любая простая машина, потому что компьютер, контролировавший движения, выполнял роль мозга.

И все же между движениями первых ходивших роботов и движениями людей были важные различия. Во-первых, движения роботов были совершенно неадаптивными. Первые роботы могли делать ровно то, на что были запрограммированы. Они не могли учиться и улучшать свои движения или менять их в соответствии с окружавшей их обстановкой (например, столкнувшись с уклоном). Кроме того, движения первых роботов просто-напросто не были похожи на человеческие. Им не хватало изящества и плавности.

Инженеры пытались решить эти проблемы, создавая роботов со все большей вычислительной мощностью. Идея была в том, чтобы заранее запрограммировать механические реакции на все случаи, которые только могли произойти. Лучшие роботы такого типа могли выполнять тысячи вычислений каждую миллисекунду, чтобы полностью контролировать все свои движения. Но это было бесполезно. Неважно, насколько сложна программа робота, – в любом случае так невозможно добиться настоящей адаптивности, а ресурсы, требующиеся для тотального управления всеми движениями, требовались колоссальные. Если бы живым существам приходилось вкладывать столько усилий в движения, они бы никогда не выжили в реальном мире, требующем эффективности и безжалостном к бесполезным действиям.

Инженеры пришли к другой идее, вернувшись к концепции, впервые предложенной русским психофизиологом Николаем Бернштейном в 1930-х годах. Бернштейн считал, что координация движений тела осуществлялась не самим мозгом, но рефлексами по всему телу. Мозг вовлечен в процесс только на верхнем уровне – в принятие решений о том, в какую сторону двигаться, с какой скоростью и как реагировать на новые внешние обстоятельства. Основываясь на этой идее, робототехники создали роботизированный эквивалент «тихого мозга», контролирующего движения свободно, а не жестко.

В 2008 году немецкий профессор Флорентин Вёргёттер, занимающийся вычислительной нейробиологией, представил RunBot – шагающего и бегающего робота, чьи движения контролировались набором простых правил, которые оставляли место для корректировок и адаптации, основанных на обратной связи от датчиков, расположенных в ключевых местах робота. В отличие от своих предшественников, RunBot мог сам выучивать вещи, которые не были в него заложены заранее, такие как подъем и спуск с уклонов, – и его движения были гораздо более изящны. Последующие разработки, включая Petman, созданный в DARPA, пошли еще дальше в реализации концепции «тихого мозга», их движения стали еще более адаптивными и эффективными.

Прорыв RunBot преподал важный урок о механике человеческих движений: свободно контролируемые движения оставляют пространство для улучшений, а жестко контролируемые – нет. Робот, адаптирующий паттерны движений на основании обратной связи от окружающей среды, вначале движется менее «умело» по сравнению с жестко запрограммированным роботом, но в итоге становится более эффективным, потому что учится, в отличие от последнего. Так и у людей-бегунов: более свободный шаг самооптимизируется для большей эффективности.

Хотя все новички более осознанно контролируют свой бег и поэтому их движения более жестки, существует определенный спектр. Те бегуны, которые начинают с большей свободой в движениях, становятся эффективными быстрее. Этот паттерн соблюдается для всех видов движений, а не только для бега. Йохсюке Миямото из Гарвардского университета – бывший пловец мирового уровня – продемонстрировал, что те люди, у которых при первичном выполнении нового для них задания на координацию наблюдается большая вариабельность движений, прогрессируют быстрее, чем те, у кого вариабельность ниже.

Эта адаптивность не только способствует кратко– и долгосрочному прогрессу, но и имеет мгновенный положительный эффект. Внешняя среда, в которой выполняются такие механические движения, как беговой шаг, изменчива и нестабильна. Почти никогда не бывает абсолютно одинаковых условий. И поэтому непрерывная адаптация движений необходима для поддержания высокой эффективности.

Между пробежками тело бегуна немного меняется, что требует незначительных адаптаций бегового шага. Фактически даже в рамках одной пробежки происходит адаптация. Ваше тело в конце умеренно тяжелой пробежки на пять миль не то же самое, что было в ее начале. И поэтому тот беговой шаг, который был эффективен вначале – когда вы свежи, – более не является оптимальным к моменту, когда вы устали. И если у вас «тихий мозг», чувствительный к внешней обратной связи, то ваш беговой шаг будет лучше адаптироваться при усталости.

Это было продемонстрировано в исследовании 2007 года, проведенном Иэном Хантером из Университета Бригама Янга. Шестнадцать опытных бегунов попросили бежать с быстрым для них темпом. Команда Хантера измеряла частоту шагов в начале бега – когда бегуны были свежими – и ближе к концу упражнения. Частота шагов обычно уменьшается с ростом усталости, и именно это происходило в эксперименте. Ученые считали, что такая динамика – это очень плохо, что она означает, что усталость заставляет технику стремительно портиться. У Хантера было другое предположение: изменение частоты шагов на самом деле было спонтанной адаптацией к усталости, которая служила сохранению эффективности. Оказалось, что он был прав. В обеих точках, в которых велись измерения, он просил участников бежать с пятью разными частотами: естественной, на 4 и 8 % ниже естественной и на 4 и 8 % выше. Он обнаружил, что в обеих точках естественная частота шагов бегунов была наиболее эффективной – даже несмотря на то, что она уменьшалась с течением времени.

Это сильное доказательство того, что эффективный бег – это в большей степени про мозг, прислушивающийся к телу, чем про мозг, говорящий телу, что делать. Если бегуны в этом исследовании пытались сохранить свою естественную частоту шагов, несмотря на возрастающую усталость, они снижали свою эффективность. Вместо этого они позволяли себе несознательно подобрать частоту шагов в ответ на сигналы об усталости, чтобы сохранить свою эффективность.