发现生物学结构和功能基本原理的生物力学家

1999年2月14日突然去世的托马斯A • 麦克马洪(Thomas A. Mcmahon）是生物力学领域的一位先驱，他在哈佛大学30年的学术生涯中，一直在探索决定生物是如何构成和运作的基本的力学原理。今天大部分生物力学，如流体、植物、骨骼、肌肉或运动力学等，麦克马洪对其中的每一个领域均作出了贡献。不是作为一位业余爱好者，而是作为一位测定了构成生物的结构和功能主要力学参数的敏锐的思想家。

麦克马洪喜欢把他的业余爱好和科学结合在一起。他非常喜欢在湖上或河上划他的单人赛艇，在观察到有多个划手的大型赛艇能以高速滑翔超过他之后，他研制了一个简单的力学模型来解释其原因。麦克马洪的划手计划促使他进入了生物学的攀登世界，这一转变导致他发展了一种“弹性相似论”的理论。这一理论的基本原理是不同大小的生物在构成后，在它们的每天生活中的结构经历类似于在弹性变形。麦克马洪测量了动物的骨骼和树木的尺寸之后，验证了自己的理论。在弗蒙特，他花费了整个公休日，测量了一整棵树的所有尺寸，发现了长的树枝要比短的树枝相对粗壮一些，结论是所有的树枝在它们自身的重量下均下垂相似的角度，这是弹性相似理论所预测的。

1969年，麦克马洪遇到了哈佛大学的一位比较生理学家C • R • 泰勒（C. Richard Taylor）教授，受其影响，麦克马洪进入了动物运动研究领域，麦克马洪和泰勒的相互影响产生了非常丰硕的成果。因为他俩的科学风格截然不同：当他们在讨论关于动物是如何运动这一问题时，麦克马洪从一篇论文开始推导出一个数学模型；相反，泰勒却设计一个精美的实验。尽管麦克马洪和泰勒没有共同发表很多论文，但他们培养了许多学生一些独特的科学风格——学到了将数学模型和实验方法结合在一起的研究能力。麦克马洪关于用数学模型能够用作了解生物运动的观点，在他的—本有影响的书《肌肉、休息和运动》中得到了充分的阐述。

在麦克马洪的注意力转移到运动学之后，经常强调运动者移动时对个体影响的力学性质，他使我们对步行和跑步的了解产生了一个革命性的变化。麦克马洪和西蒙 • 莫恰（Simon Mochan）共同研制了一个“弹道步行”模型，证明了一个正在步行的人的摆动的双腿，其行为像一个被动的复合的钟摆，它是一对连接在一起的站立的双腿，行为像一个倒转的钟摆。结论是这个钟摆连接体在决定步行运动时至关重要，这些想法似乎有道理，后来被T，麦克其尔（Ted McGeer）证明。他在发明了被动式机器人之后，它们步行时就是用了这些钟摆的机械力学原理。

当麦克马洪计算到像弹簧一样坚硬的腿决定了跑步动力学时，并指出个体的力学性质对发展运动是决定性的，这一发现导致了“调谐跑道”的发明。当他们用调谐跑道代替原来的跑道之后，3/4英里或更长距离的竞赛速度提高了3%。

运动生物力学和流体力学一般是生物力学中的两个单独的分学科。但是麦克马洪和PW • 克拉希（J. W. Glasheen）把两者结合称之为“蛇怪蜥蜴”，同样也称之为基督蜥蜴——它能在水面上跑。这种蜥蜴用3种方式做这一事情，首先蜥蜴的边缘趾状足击拍水面，在它的快速打击下产生一个空气小洞，在掌拍和打击的共同作用下，产生了一种向上的推动力，防止了蜥蜴的下沉，最后在空气小洞破裂前，蜥蜴把它的足向上拉，这样足部的向下拉力会降低到最小。

麦克马洪非常乐于用他的生物力学知识所产生的灵感来发明一些实用的设备。近年来他和W*C • 海因斯（Wilson C. Hayes）、S，N • 罗宾诺维奇（Stephen N. Robinovitch）—起发明了一种能降低老人摔倒后臀部发生骨折危险的灵巧装置。他们发明了一个U型臀部护垫，其周围是股骨的顶端，护垫内组成材料一般是液体，这一护垫符合在每天活动时所产生的缓慢运动过程中身体的要求。但是在下落影响过程中，其中的材料硬度会快速变形成固体，股骨顶部所受到的转轨力可以避开，而进入到肌肉和脂肪周围。

麦克马洪对科学进步和自然之谜之问的相互影响曾表达过如下的观点：“最好的理论和那些自然之谜是相互协调的，甚至使它们更神魂颠倒。”麦克马洪的工程学和生物学的模式就是发现了有机生物正是这样工作的。

 [Nature，1999年4月15日]