第一部分 运动
一 仿生人制作仿生人
复制人类的行动方式
生物物理学家休·黑尔是一名登山神童，七岁就开始攀岩，年仅十七岁便征服了“超级裂谷”--东北地区难度最大的攀登地点， 是当之无愧的“奇迹男孩”。
1982年1月，黑尔与搭档杰夫·巴特尔一同出发登上新罕布什尔州的华盛顿山。距离山顶1100英尺时天气骤变，他们在暴风雪中迷失了方向。为期一天的短途旅行由此变成了长达三天的困难求救。救援人员发现时，他们已经遭受了低温冻伤，医生不得不将黑尔膝盖以下的双腿进行截肢。
黑尔的第一副假肢十分僵硬，很不舒服，但他仍将使用假肢的墙壁攀岩模式来锻炼。1982年夏天，他再次使用新的假肢攀岩。
但即使用了新设计，黑尔用假肢行走时仍会因为擦伤而痛苦难忍，因为假肢缺乏脚踝和脚腱之间的天然缓冲，因此黑尔决定自己制作减缓疼痛的假肢。巴特尔向他介绍了一名叫巴瑞·戈斯尼扬的假肢医生，医生同意提供帮助。同年秋天，黑尔被米勒斯维尔大学录取。毕业之前，黑尔与戈斯尼扬共同设计并申请了带有充气气囊的软垫插槽，以减少假肢引起的疼痛擦伤。毕业之后，黑尔在麻省理工学院（MIT）继续攻读机械工程硕士学位。
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将人体看作一个简单的滑轮系统，就像我们用来操控木偶的牵线系统一样。骨骼塑造身体形状，而肌肉和肌腱则则是使骨骼活动的轮滑和拉绳，韧带和肌腱将它们固定在一起。骨骼、关节、肌腱和肌肉协同运动，共同产生、储存和释放能量，用于人体活动、行走、跑步和负重等。
几个世纪以来，罗马人一直使用牛颈的肌腱作为弹簧来产生弹力，也有人使用由跟腱制成的编织绳索。但直到20世纪50年代，人们才了解到肌腱在动物运动的生物力学中起着至关重要的作用。
20世纪50年代，米兰大学的生理学家Giovanni Cavagna认为腿部活动就像弹簧一样。腿内的“弹性反冲能量”可提供额外的弹力，为每个步幅提供一半的能量，但他并不明白这些弹簧的运作原理。这个谜团是由英国动物学家麦克尼尔·亚历山大解开的，他发现两条肌腱，即跟腱和足弓中的肌腱，就像弹簧一样，为人类走路或跑步提供单个步伐的一半能量。
这些发现对黑尔和其他修复假肢设计的研究人员来说至关重要。在人类正常的腿部，肌腱和肌肉可以来回移动，储存并释放能量。借助无生命的假体行走既低效又耗力，着是因为没有肌腱或肌肉来获取和回收能量。
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在麻省理工学院攻读研究生两年后，黑尔打造了“蜘蛛侠套装”并再次进行攀墙，而且借此对弹性橡胶弹簧的能量储存和释放进行实验。接下来，他设计了一款跑鞋，用一条碳带连接前后两个弹簧——一个在脚后跟，一个在脚趾。他不停地实验，直到确定放大能量的最佳弹簧位置。这种方法不仅可以提高速度，降低跑步的代谢成本，而且还可以减轻施加在关节上的力。黑尔将这款鞋推荐给耐克，耐克便聘请了哈佛大学的生物力学领域专家托马斯·麦克马洪来对其进行评估。虽然耐克最终拒绝了该产品，但麦克马洪却对此印象深刻。他鼓励黑尔参加他在哈佛大学的课程，并最终成为黑尔的博士生论文导师。获得博士学位后，黑尔成为了麻省理工学院的教授，领导麻省理工学院媒体实验室的生物机电学研究小组。此后，他开始利用动作捕捉和计算机分析来设计仿生肢体。
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20世纪90年代，麦克马洪的一名学生克莱尔·法利表明，人的脚踝是调节整个腿部僵硬度的主要关节。脚踝通过改变硬度和弹跳来控制人体行走或跑步的力量和速度。为了探究小腿的不同组成部分如何相互作用，黑尔建立了数学模型并设计了一个机器人假体，将数学模型转化为运动。每个机器人的腿都有三个像指甲一样大小的电脑。计算机接收传感信息，然后运行控制电机系统和机械肌腱执行器的算法，从而助力使用者行走、站立和跑步。最大的障碍是自动为机器人供电。黑尔的原始原型需要重型电子设备来放大来自墙壁插座的电力。
最终，黑尔通过模仿跳蚤储存和释放能量找到了解决方案。通过逐渐将能量输送到肌肉的纤维结构中，跳蚤可以以比肌肉产生的速度大100倍的速度加速，然后立即释放储存的能量以产生爆炸性上升力。通过将能量缓慢地馈送到弹簧系统中，电池可以自动地为假体中的小型电动机供电。
对于强化机体的设备而言，最具挑战性的瓶颈是如何构建一个既节能又轻便且实用性强的设备。目前，大多数机器人的手臂与机体的能量效率不匹配。为了将仿生手臂设计成自然人体手臂的尺寸和重量规格，工程师必须牺牲其他功能，其中就包括力量。
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黑尔已经对身体运动的方式进行了逆向工程处理，并利用该技术模拟自己失去的双腿。实验结果不仅改变了他的生活，而且也改变了无数人的生活。 2014年，他在麻省理工学院的团队开发了一种外骨骼——一种包裹肢体的机器人——可以穿在衣服外面，使用户能够在跑步或行走时消耗更少的能量。外骨骼可以通过减少行走、负重或是跑步所需的能耗来恢复或增加耐力、力量或速度。
如今，黑尔成为了世界领先的假肢设计师之一，致力于为残疾人恢复功能并增强非残疾人的体能。他相信未来人们会穿着仿生系统，从而跑得更快，跳得更高，负荷更重。
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