苏神竟然跑不过喵星人，究竟是为什么？

2020东京奥运会男子100米短跑半决赛赛场上，中国籍选手苏炳添以9.83秒的成绩晋级决赛。这一成绩也刷新了亚洲短跑选手的记录，使苏炳添获得了“苏神”的称号。然而，百米9.83秒的速度可能还不如我们身边的家猫。

事实上，不仅是苏炳添，即使是男子百米世界纪录保持者、荣获8枚奥运金牌的牙买加退役选手Usain Bolt也跑不过喵星人。Bolt持有的百米纪录是9.58秒，折合每小时27英里，略低于一只家猫的最高速度。

这究竟是为什么呢？人类能在未来的某一天跑赢喵星人吗？

你可能认为一种动物能跑多快取决于其肌肉的大小：力量越大，速度越快。虽然这在某种程度上是正确的，但大象永远也跑不过羚羊。那么是什么真正决定了动物的最大速度呢？

最近，由斯图加特大学的生物力学家Michael Günther领导的一组科学家小组着手研究支配动物界最大跑步速度的自然法则。最近发表在《Journal of Theoretical Biology》上的一项新研究中，他们提出了一个复杂的模型，将身体结构、腿长、肌肉密度等因素考虑在内，以揭示哪些元素对优化速度最为重要。

这项研究为腿部动物以及他们步态的进化提供了见解，它可以被生态学家用来了解动物运动的速度限制如何影响不同物种的种群、栖息地选择和他们的群体活动。对于机器人学家和生物医学工程师来说，学习大自然对速度的最佳身体结构，可以进一步改善双足行走机器和假肢的设计。

Günther在谈及研究的目标时表示：“这有助于理解进化的原因，以及它为什么和如何塑造动物的身体。你可以更深刻的理解身体结构是如何被进化的要求所塑造。”

由德国综合生物多样性研究中心（German Center for Integrative Biodiversity Research）的Myriam Hirt领导的一项早期工作发现，动物的速度与新陈代谢有关。新陈代谢是身体将营养物质转化为燃料的过程，其中有限的数量被储存在肌肉纤维中，供动物冲刺时使用。Hirt的团队发现，大型动物比小型动物更快耗尽燃料，因为它们需要更多的时间来加速它们较重的身体。这就是所谓的肌肉疲劳。它解释了为什么理论上人类可以跑过霸王龙。

但是Günther和他的同事们对此却持怀疑态度。Günther说：“我认为我们也许能够给出另一种解释。”这种解释只需要经典物理学原理来理解动物的速度限制。为此，他们建立了一个生物力学模型，由40多个不同的参数组成，涉及身体结构、跑步的步姿以及作用于身体的力量的平衡。

科布伦茨-兰道大学（University of Koblenz-Landau）的数学家Robert Rockenfeller是这项研究的共同参与者。他说：“基本想法是，有两件事限制了最大速度。首先是空气阻力。”当动物试图推动身体前进时，空气阻力就是作用动物身上的反作用力。由于阻力的影响不会随着质量的增加而增加，它是限制小型动物速度的主导因素。Rockenfeller说：“如果你能达到无限重，你就会跑得无限快。”

第二个起作用的是惯性。它随着质量的增加而增加，是一个物体从静止状态加速所要克服的因素。Rockenfeller说：“在跑步时，动物对自身质量的加速有一个时间限制。”它是指从站立中期（当脚平放在地面上）到推进期（当脚离开地面）之间的时间。这对大型动物来说尤其具有局限性：有更多的质量需要向前推动，就需要克服更大惯性。因此，较小的身体在这里有优势。

根据研究小组的结果，克服空气阻力和惯性的最佳体重是110磅左右。巧合的是，这正是猎豹和长角羚的平均体重，他们是地球上短跑速度最快的动物。

但身体大小并不影响最大速度的唯一因素。在这个模型中，腿的长度也很重要。腿长的动物能够在它们的脚必须离开地面之前将它们的身体向前推得更远，从而延长了它们在站立中期到推进期之间加速的时间。

至于为什么四条腿的动物能比人类跑得快，Günther说这并不是因为我们只有两条腿，而是因为我们的躯干是直立的。两足动物在进化过程中具有更为坚硬的脊柱结构，优先满足平衡和稳定的需求。然而，躯干与地面平行的动物则进化出更灵活的脊柱，为脚与大地的长时间接触进行了优化。

Günther的团队预测不同身体结构在100公斤（或约220磅）体重下的最大理论速度：一只这么大的家猫可以跑到每小时46英里；一只巨大的蜘蛛，如果它的腿能以某种方式承受它的重量，最高速度将达到每小时35英里。普通人在这里排在最后。在100公斤时，我们只能达到每小时24英里。

但是肌肉疲劳呢？Günther说：“它没有发挥任何作用。”他们的结论显示，任何动物在耗尽燃料之前至少可以加速到其最大速度的90%。

阿拉巴马州道芬岛海洋实验室（Dauphin Island Sea Lab）研究动物运动的生态学家Carl Cloyed认为，从进化的角度来看，生物力学的解释比肌肉耗尽燃料更有意义。但他承认，这需要更多的实验研究来支持这个新模型。

Günther和Rockenfeller同意需要进行实验来验证他们的结论，他们认为他们已经提出了一个全面的模型供其他研究人员在未来进行测试。但所有的科学家都指出，这样做将是一个挑战，将需要捕捉动物并在实验室中观察它们，或使用它们冲刺的高质量视频，以分析它们运动的生物力学。研究动物跑步行为的最准确的方法是在它们的肌肉中植入机械传感器，并跟踪它们在自然环境中的运动情况，但这引起了明显的后勤挑战和伦理问题。

Cloyed还期待着看到这种分析将被扩展到其他运动模式，尤其是如飞行和游泳。他说：“如果这个解释成立，它在其他环境媒介中也应该是正确的。”

那么，是否有人会打破Usain Bolt的记录呢？可能吧，但我们不会比这快多少。短跑的生物力学表明，我们已经接近了人类身体所能达到的极限。当有未来的另一个人成为地球上最快的人时，他将不得不承认自己只在人类中拥有这一称号。在动物界，人类并不特别。