企鵝走路為什麼會搖搖晃晃?
2021-02-09 中國科普博覽都說企鵝可愛，人們之所以覺得它可愛，一部分是因為它憨態可掬，配色和熊貓一樣都是黑白相間的，另一部分是因為它走起路來搖搖晃晃。
左右搖晃看著就很浪費能量…… 圖源：giphy
走路晃頭晃腦的，在冰面上行走自然容易摔倒。
哎呀我摔倒了 圖源：giphy
不過企鵝為什麼要左右搖擺呢？為什麼就不能好好走路呢？
加州大學伯克利分校的 Timothy m. Griffin 和科羅拉多大學博爾德分校的 Rodger Kram做了一個研究，關於企鵝走路的力學分析。他們發現企鵝這麼走路是為了提高能量的利用效率。
是不是覺得不可思議？因為企鵝走路看起來其實很不高效，企鵝是要向前走的，但它卻向左右方向搖晃，左右搖晃和前進是矛盾的，感覺能量被分走了一部分給左右搖擺。
在介紹實驗之前，先來講講行走效率是怎麼一回事。
行走效率不僅僅取決於肌肉和骨骼的形態，還取決於如何使用它們。人類的步態之所以高效，是因為我們每走一步都會輕微地向前傾斜，藉助重力推動我們前進。如果我們不利用重力，單純靠肌肉的發力，那麼我們就要多花費65%的能量。這65%也被成為能量回收率。
接下來介紹實驗，科學家去海洋公園那裡找了5隻帝企鵝，連哄帶騙地把人家引到了一個專門為企鵝設計的「跑步機」上。這個跑步機可以測試企鵝每一步的力量大小、方向以及移動速度。
研究中，兩個科學家測量了帝企鵝行走過程（0.5m/s）中的能量回收率，居然達到了80%，超過了人類的回收效率。不僅如此，研究者還認為企鵝步態是所有陸行動物中能量回收率最高的。
a、b 帝企鵝在0.54m/s行走速度時的重力勢能和動能的波動圖 c 、dy搖擺的能量回收效率 圖源：文獻1
假如企鵝沒了搖晃的側向運動，那麼它的步行效率將會降低很多。因為企鵝的左右搖擺的時候，重心會發生變化，產生重力勢能，進而轉化為動能。
但企鵝行走消耗的能量是同體型動物的兩倍（能量回收率和能量大小是兩個值）。
因為它們的腿太短了，而且大部分的腿還藏在了厚厚的羽毛下面，這導致它行走太困難了，耗能高也是自然而然的。
圖源：Wikipedia
和珍珠雞、鴕鳥一比，你就知道企鵝的腿是多麼短小了。
最後，科學家得出結論，企鵝的步態不是因為左右搖晃才耗能高，而是因為腿太短了，相反，左右搖晃是為了彌補腿短的缺陷。
後來，其他科學家對企鵝步態做了進一步的研究，看看體重變化會不會對步態造成影響。
只不過他們沒找帝企鵝，而是找了10隻王企鵝，而且它們的體重也比一般的企鵝要肥。同樣地，它們也被安排上了跑步機，跑步機時速為每小時1.4公裡。另外也多記錄了企鵝三軸運動（前後、上下、左右）加速度的數值。
企鵝身體左右搖擺加速度隨時間的變化，正值表示右側傾斜，負值表示左側傾斜 圖源：文獻2
它們在保持原有體重的情況下，先在跑步機上測試，科學家記錄了運動時候的相關數值。後來，科學家讓企鵝禁食兩個星期，體重減下來了2公斤多點，然後再上跑步機測試。
王企鵝在跑步機上 圖源：sciencenews
成年王企鵝在保護它們的蛋時，有時會禁食長達一個月，但它們會提前儲存幾磅脂肪作為補償，所以不用擔心禁食兩周是虐待。這也是為什麼科學家會選擇肥一點的企鵝，這樣體重變化更容易也更明顯，方便科學家們研究體重對企鵝步伐的影響。
但令科學家驚訝的是，雖然企鵝減肥後左右搖晃的幅度減小了，但並沒有改變它們的步頻或姿勢。
相對於瘦子企鵝（11kg），胖子企鵝（13.2kg）的重心稍微向前一些，走起路就不太穩圖源：文獻2
這個研究表明，企鵝越胖，左右搖擺幅度越大。結合前面第一個研究，可以得出結論，企鵝之所以搖搖晃晃是因為腿短，而搖晃的幅度大小則取決於體重大小。而這一切最終都可以解釋為，為了節省能量……
當然，我不知道對人來說，更胖的人走路時左右搖擺會不會提高能量回收率，哪個人來試試？
參考文獻:
[1]^Griffin T M, Kram R. Penguin waddling is not wasteful[J].Nature, 2000, 408(6815): 929-929.
[2]^WillenerA S T, Handrich Y, Halsey L G, et al. Fat king penguins are
出品：科普中國
製作：蘇澄宇
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
（本文中標明來源的圖片已獲得授權）
本文來源於」中國科普博覽「公眾號（kepubolan），轉載請註明公眾號出處
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