2021年09月26日 09:30
【科學快訊】
坐在街邊，常能看到背著手慢慢踱步的大爺、用力甩著胳膊快走的大媽，不過更多見的走路姿勢是隨著邁步輕輕前後擺動手臂。
走路的時候，直接推動身體向前的是腿腳，可多數人還是會自然而然地甩起胳膊。那麼，步行時擺臂是為了什麼，又是怎麼擺起來的呢？
用手擺動模型小人的腿，它的胳膊會自動跟著甩，我們走路也是這樣嗎？| 參考文獻<1>
擺臂省力
除非猛甩或順拐
關於擺臂的用途，可能的解釋包括減少能量消耗及增加身體穩定性等等，甚至有研究者認為這只是四足行走的進化遺物，根本沒用。現在科學家們還沒有把所有機制理清，不過觀點一致的是，走路時自然擺臂比較省力。
一項研究對比了7種不同擺臂方式下走路的能量消耗，其中包括自然擺臂、大爺的不擺臂、大媽的用力甩以及順拐（同手同腳）<2>。
各種步行擺臂方式：左上-自然擺臂，右上-手臂被固定在身體上，左下-手臂前擺到與肩同高，右下-順拐 | 參考文獻<2>
結果顯示，以每小時4.5公里的速度步行時，相對於自然擺臂，順拐或很用力甩手的姿勢明顯更費力，能量消耗分別增加了15.3%和17.5%。不擺臂的走路姿勢也更費力，刻意讓手臂垂在身體兩側比自然擺臂多消耗12%的能量。
看到這些數據，就知道想省力和想增加能耗時分別該怎麼擺臂了吧（不要打順拐的主意）。
步行相同距離，不同擺臂方式下的能量消耗對比（以耗氧量衡量）|參考文獻<2>
如果比較大爺和大媽走路姿勢的能量消耗，在速度相同的條件下，結果主要取決於大媽甩手有多用力。擺臂幅度比自然走路稍大的話，大媽走路更省力，但把手甩到與肩同高時反而比大爺的姿勢費力。
除了節能之外，擺臂的其他作用目前還不十分明確。在平穩步行的狀態下，有研究認為手臂擺動有助於維持身體側向穩定性以及頭部穩定，也有研究認為沒有作用，甚至有負面影響。不過，多數研究者認為，因磕絆等失去平衡時，擺動手臂有助於身體重新恢複穩定<1， 3>。
胳膊抵消腿旋轉
為下肢省勁
擺臂本身會消耗一定的能量，走路的全身總能耗卻可能因此降低，這是因為手臂為下肢節省了更多能量<4>。
人走路不擺臂的時候，腳蹬地面的方向並不指向正前方，而是存在一定的旋轉。比如右腳向前邁步時，從頭頂向腳下看，身體有一個逆時針方向的角動量，下一步邁左腳時角動量變為順時針。這個由逆時針至順時針的方向改變，需要人消耗能量蹬地產生。
而自然擺臂會在前邁右腳時產生順時針的角動量，幾乎可以抵消下肢在這個平面上的角動量，也就減少了邁步所需要的能量（關於角動量與步行的更多內容）。
右腳前邁時，下肢存在逆時針角動量，擺臂提供順時針角動量將其基本抵消 | 參考文獻<4>
抵消下肢角動量是擺臂讓走路省力的最主要原因，其他機制如減少身體質心上下移動等可能也有一定作用。
另外，很少的能量就足以維持步行中的手臂自然擺動，活動肩部和肘部所需的力只有腿部關節的百分之幾<5>。這時，擺臂為下肢節省的能量明顯大於擺臂本身的成本，從全身總能量消耗來看，自然擺臂比不擺臂省力。
但如果太用力甩胳膊，讓其能量成本超過了為下肢節省的能量，擺臂反而比不擺更費力。至於順拐，這時手臂擺動產生的角動量與下肢方向相同，因此讓下肢蹬地更加費力，比不擺臂走路消耗能量更多<2>。
不同擺臂方式下的全身、手臂及下肢角動量對比|參考文獻<2>
即使不用力
胳膊也會自動甩
這樣看，走路擺臂確實是可以省力的，接下來回到第一張圖片的問題，人的胳膊是隨著邁腿自動甩的，還是被肩部肌肉收縮拉動的？
近兩百年來，科學家一直在研究擺臂是被動還是主動的。最初，研究者記錄了步行中身體各部位的運動，分析後認為手臂擺動只是胸肩運動、重力和慣性的結果，完全是被動的，就像文章開頭那個模型小人。
一百年後，有研究者重新分析了之前記錄的數據，認為作用在肩關節上的力不止有軀幹帶動和手臂重力，還有其他力參與了擺臂，比如肌肉收縮、肌腱或韌帶等結構的牽拉。
幾十年後，人們通過肌電圖檢查發現，步行時控制手臂的肩背肌肉確實在用力，支持了擺臂存在主動成分這個想法。之後研究者建立的模型也顯示，雖然沒有肌肉活動時手臂也可以擺動，但會出現令人不舒服的急速運動，不像人自然擺臂時那麼平順<3， 4>。
到現在，步行時手臂擺動的機制仍沒有得到確切解釋，多數研究者認為，擺臂很大程度上是被動的，只有一小部分來自肌肉收縮，這種主動控制可能幫助調整擺臂幅度、保持平順和四肢配合默契<6>。
看完這些再站起來走幾步，仔細去體會胳膊與腿的配合，你大概能感覺到……不會走路了。步行時四肢的運動及其配合非常精巧，但過程主要由脊髓中的神經元網絡自動控制，而不是大腦皮層。不用集中注意力控制動作，我們的身體自己就可以協調好上下肢，找到最省力的步調。
忘記怎麼走路了？別急，想點別的事，身體會帶你好好走丨giphy
參考文獻
<1> Pontzer H， Holloway JH 4th， Raichlen DA， Lieberman DE。
Control and function of arm swing in human walking and running。
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<2> de Graaf ML， Hubert J， Houdijk H， Bruijn SM。
Influence of arm swing on cost of transport during walking。
Biol Open。
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<3> Meyns P， Bruijn SM， Duysens J。
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Gait Posture。
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<4> Park J。
Synthesis of natural arm swing motion in human bipedal walking。
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<5> Collins SH， Adamczyk PG， Kuo AD。
Dynamic arm swinging in human walking。
Proc Biol Sci。
2009；276（1673）：3679-3688。
<6> Goudriaan M， Jonkers I， van Dieen JH， Bruijn SM。
Arm swing in human walking： what is their drive？ Gait Posture。
2014；40（2）：321-6。
作者：代天醫
編輯：odette
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