Основой структурного анализа опорно-двигательного аппарата и функции движения в канонической биомеханике является рычаг — простейший кинематический элемент, состоящий из двух звеньев и соединяющего их шарнира. При этом самоочевидно, что отдельный рычаг является незамкнутым, то есть не может образовать замкнутого контура (двух звеньев для этого недостаточно).

Современная биомеханика предполагает, что сложное движение, в котором участвует большое количество кинематических элементов, можно проанализировать через простейшее суммирование набора отдельных рычагов, настраиваемых каждый по отдельности. Практическим специалистам этот подход знаком по так называемой функциональной анатомии, в которой предлагается рассмотрение многозвенных двигательных функций через контроль индивидуальных настроек каждого из суставных рычагов (мышцы агонисты/антагонисты, сгибание/разгибание в суставе и т. д.).

Этот подход настолько безальтернативен в медицинском и физиологическом образовании и настолько пропитал повседневный язык и культуру, что кажется естественным и единственно возможным. На самом деле суммирование настроек отдельных рычагов представляет собой всего лишь самую простую версию кинематического анализа, доставшуюся нам в наследство от Средневековья. Сегодняшняя каноническая версия функциональной анатомии — это уровень новичка в кинематическом анализе, который был актуален во времена Везалия, но задержался на 500 лет.

В реальной жизни контроль индивидуальных настроек каждого рычага оказался настолько сложен даже в относительно небольших рукотворных системах и механизмах, что инженерное дело уже давно перешло к настройке систем рычагов, где управление движением осуществляется через связность группы кинематических узлов, то есть через замкнутые кинематические цепи.

Ключевое отличие биотенсегрити-подхода к биомеханике от канонического рычажного как раз и заключается в первостепенном внимании к групповой связности вместо простого суммирования отдельных кинематических элементов.

Как мы уже говорили, эффективный контроль сложной двигательной функции возможен только в случае структурно контролируемого взаимодействия групп кинематических элементов друг с другом без необходимости привлечения внешнего управляющего контура и его сигналов. Поэтому нам нужен переход, чтобы обеспечить структурный контроль через групповую связность элементов.

Как показало развитие практической и теоретической инженерии, наиболее эффективным подходом к структурному встроенному контролю динамической связности оказались четырехзвенные механизмы, понимание которых позволяет нам приблизиться к биотенсегрити-подходу.

Наш интерес к замкнутым кинематическим цепям (ЗКЦ) связан с тем, что многие авторы рассматривают их как сильный инструмент для анализа живых организмов и анатомии человека в частности (Muller, 1996; Levin et al., 2017). По сути, это тот недостающий мост, который позволит нам перейти от примитивного суммирования отдельных элементов в функциональной анатомии к пониманию того, как работает групповая кинематическая связность (биотенсегрити-подход развивает принцип связности намного глубже).

Четырехзвенный шарнирный механизм — это один из примеров замкнутых кинематических цепей (ЗКЦ), которые широко используют в производстве как минимум с начала промышленной революции, поскольку они обеспечивают простой и эффективный механизм структурного контроля с множеством различных применений.

Преимущества ЗКЦ состоят в том, что вместо попытки поэлементного управления отдельными звеньями механизма поодиночке эти разрозненные и сложно-управляемые части объединяются друг с другом в связные динамические группы. В результате их совместное движение становится намного проще и легче контролировать. ЗКЦ позволяют создать управляемый механизм, в котором каждое из звеньев влияет на поведение всех остальных, обеспечивая предсказуемую передачу и увеличение (или ослабление) силы, скорости и кинетической энергии, как, например, в механизме рисования пантографа (Claverie et al., 2011).

Легко предположить, что столь удобный инструмент контроля движения мышц, костей и суставов был активно задействован эволюцией. Такой вариант управления непосредственного структурного двигательной функцией с очевидностью выгоден для мозга, позволяя экономить ресурс и улучшая точность и эффективность действий во внешней среде.

Поэтому имеет смысл подробнее разобраться в том, как такой механический контроль работает.

Простейшая геометрическая организация, позволяющая структуре самостоятельно управлять своим движением, — это плоская четырехзвенная конструкция (углы — динамическая характеристика; длина стержней — структурные и статические свойства), где длина и относительное положение каждого звена задают механические свойства всей системы, а угловые соотношения в звеньях определяют ее динамическое поведение.

Рис. 4.7. (А) Существо Strandbeest Тео Янсена. (Воспроизводится с любезного разрешения © Theo Jansen). (B) Аналогичная модель, показывающая множество взаимосвязанных замкнутых кинематических цепей (ЗЦК). (© G. Scarr, любезно предоставлено Тео Янсеном). (C) Основные трех— и четырехзвенные ЗЦК, контролирующие изменения в форме и движении «ног».

Благодаря такой комбинации подвижности и самоуправляемости четырехзвенные механизмы выгодно отличаются от своих соседей по таблице групповой динамической связности — трех— и пятизвенных механизмов.

Трехзвенные (треугольные) механизмы способны к самозамыканию в контур, обладают внутренней стабильностью, но не обеспечивают достаточного разнообразия вариантов возможных положений (за некоторым исключением).

В то время как структуры, состоящие из пяти или более звеньев, сами по себе слишком подвижны, а значит, сложны в управлении из-за избыточного количества степеней свободы.

Однако при этом все эти варианты групповой динамической связности и механизмов контроля имеют важное значение для более сложных динамических систем. Так, например, Тео Янсен (р.1948) — художник-конструктивист из Нидерландов — создает многометровых пластиковых «существ» Strandbeest, которые приводятся в движение ветром. Они не имеют ни встроенного мотора, ни управляющего контроллера, но при этом «разгуливают» по пляжу сами по себе, наглядно демонстрируя функциональные возможности соединения нескольких трех— и четырехзвенных ЗКЦ в плоскости и их способность обеспечивать контроль движения без какого-либо внешнего или компьютерного управления (рис. 4.7).