腓肠肌的双跨关节能量传递机制与通行落差时身体能量管理有关

为什么踏入坑洞对身体影响很大

日常步行看起来轻而易举，但身体始终在不断地调配能量以维持直立，尤其是在不平的地面上。一个常见的挑战是无意或刻意将脚踏入坑洞或踏到较低的表面。该研究探讨了下腿后侧的某些小腿肌肉如何在这些棘手时刻帮助管理身体的整体运动和能量，以及这对预防跌倒、设计更有效的康复方案和制造更智能的义肢与外骨骼为何重要。

跨越两个关节的肌肉

大多数人认为肌肉只作用于单个关节，比如二头肌弯曲肘部。但有些腿部肌肉同时跨越两个关节。腓肠肌（小腿的一部分）同时跨过膝关节和踝关节。因为它们能同时作用于两处关节，所以可以在关节之间来回传递机械能。早期研究表明，这种“双跨关节”结构在跳跃和冲刺等强力动作中很重要。在这项研究中，研究者想知道同样的能量共享系统是否也在更平常但更具风险的任务中被动员：即行走时跨越坑洞。

观察人们穿越隐藏落差的步态

18名年轻成人以自己偏好的速度沿一条长通道行走。有时路面是平的；有时他们需要用右腿踏入一个浅的矩形坑再走出来。运动捕捉标记记录了他们踝、膝和全身的运动，而小型传感器测量了大腿关键肌肉（股四头肌中的外侧股等）和两侧腓肠肌的电活动。通过观察踝关节与膝关节角度如何同时变化，团队能够识别出在何时小腿肌肉机械上处于可以将能量从踝传向膝或从膝传向踝的阶段。他们还计算了身体质心的总能量（由高度和运动速度综合而成），以查看每一步期间有多少能量被吸收或产生。

需要处理更多能量时，小腿提供更多帮助

踏入坑洞使身体质心的升降幅度比在平地行走时更大，意味着系统必须处理更大的能量波动。研究者发现，在通过坑洞时，踝与膝之间的能量传递潜力在三个关键步骤（坑洞前一步、踏入坑洞的一步和踏出后一踩）均显著增加。在准备和踏入坑洞的步骤中，能量倾向于在身体需要吸收能量并减少整体运动时从踝向上传到膝。随后在坑洞内和恢复步骤中，能量则倾向于在身体需要推离并再次抬高质心的阶段从膝向下传到踝。重要的是，在这些传递阶段，腓肠肌和大腿肌肉都是主动收缩的，而非仅被动拉伸，这表明这是一种真实的、主动的能量交换而非简单的阻尼作用。

将肌肉行为与整体运动联系起来

团队不仅观察这些模式，还检验了它们之间的关联强度。他们发现，当在坑洞前的那一步条件有利于能量从踝传到膝时，身体质心的总能量下降更多，有助于在意外落差前更安全地降低身体。同样地，当在踏入和踏出坑洞的步骤中条件有利于能量从膝传到踝时，身体的总能量增加更多，帮助完成爬出坑洞并恢复稳定平地行走所需的推力。在一项尤其有说服力的结果中，腓肠肌在特定的踝到膝能量传递阶段的更高激活水平与更大幅度的全身能量减少直接相关，强调了这些肌肉在稳定步态方面的主动作用。

对更安全运动的意义

简而言之，这项工作表明，跨越膝和踝的腓肠肌在我们踏入坑洞时充当能量管理者：在需要降低身体时帮助吸收额外能量，而在需要爬出并继续前行时又帮助将能量回收并释放。由于该机制在地面不平、行走更具挑战性时尤为重要，因此教授人们更好利用这些关节运动的训练，以及在义肢、外骨骼或机器人中模拟这种能量传递的装置，可能会改善平衡并降低日常生活中的跌倒风险。

引用: Theodorakis, C., Bohm, S., Nikolaidou, ME. et al. Biarticular energy transfer mechanisms of the gastrocnemii muscles are associated with managing body energy during hole negotiation gait. Sci Rep 16, 10996 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44470-z

关键词: 步行平衡, 不平坦地形, 小腿肌肉, 防跌倒, 义肢与外骨骼