你對自己的雙腳真的了解嗎？

人體一共206塊骨骼，竟有52塊長在雙腳上。

随着我們逐漸長大，一雙腳不僅承載着我們從幾斤長到上百斤的體重，還要帶着我們四處奔跑、跳躍，累得酸疼卻總是任勞任怨。如果再加上我們随行的負重，或是高跟鞋、芭蕾舞鞋的束縛，雙腳所承受的就更加“亞曆山大”！

然而，不同于其他靈長目動物的腳，人的腳在壓力下幾乎不變形。它是如何做到如此堅強？它的内部靠着怎樣的結構支撐？它又是如何進化而來的呢？耶魯牽頭的研究團隊做了這項研究。

腳的抗壓性主要來自足弓，形狀像箭弓一樣，過去一直被認為是縱向的足弓（即順着腳的方向）在發揮作用。

但耶魯大學專家牽頭的一項新的研究發現，長期被忽視的橫向足弓（transverse arch）才是足部正常工作、進化以及行走奔跑的關鍵。

長期被忽視的橫向足弓 (transverse arch)

這一發現不僅颠覆了近一個世紀以來關于人類足部的傳統看法，而且可為進化生物學開辟新的研究路徑，為機械肢和假肢的設計提供新的依據。

該研究今年初發表在《自然》雜志上，耶魯大學工程師Madhusudhan Venkadesan是這一國際研究團隊的牽頭人之一，另外兩位分别是來自英國華威大學的Shreyas Mandre和日本沖繩科學技術大學院大學的Mahesh Bandi。

這一研究團隊的牽頭人之一、耶魯大學機械工程和材料科學副教授Madhusudhan Venkadesan

當人類行走和奔跑時，腳掌踩壓地面的作用力是體重的數倍。盡管受到如此強大的壓力，人的腳卻仍能基本保持其形狀，不會産生嚴重的彎曲。如此堅硬的腳，不僅是靈長目動物中人類所獨有，而且對人類進化為兩足行走也很重要。

傳統觀點認為，腳的硬度主要來自縱向的足弓。縱向足弓從腳後跟一直延伸到足前部，下方的彈性組織起強化作用。這一弓形與彈性組織一起，構成了一個弓弦結構，在過去近一個世紀裡，被認為是足部堅硬的主要緣由。

但足部還有另一個橫跨足中部的弓，稱為橫向足弓。Venkadesan和他的同事們對先前沒有人研究過的橫向足弓進行了仔細的研究。他們進行了一系列的實驗，用作實驗的有仿制的機械腳、解剖用的屍體足部，以及滅絕已久的人類祖先和近親（人科）的化石标本。結果表明，橫向足弓才是足部堅硬的主要原因。

拿一張紙币就可以驗證

橫向足弓為何如此重要？不妨去你的錢包裡找找答案。

抽出一張紙币，用手指捏住一端，另一端會垂下去。而如果用拇指在中間壓出一個溝，紙币就會直直地伸着，不會垂下了。

“這對于腳也呈類似的效果，”耶魯大學機械工程和材料科學助理教授Venkadesan介紹說。“雖然不像一張紙那麼簡單，因為腳裡還有許多其他的組織和結構，但他們的原理是一樣的。”

通過數學分析和實驗，研究人員終于發現了弧度能抵抗變形的機械原理，即對弧形結構施壓，會對該材料造成拉伸。然而，即使是一張很薄的紙，如果你想把它拉長，它也有較大的抵抗變形的能力。研究人員解釋說，橫向足弓就利用這種抵抗拉伸變形的能力，使整個結構變得穩固堅強。

實驗一：機械仿制足

腳擁有着複雜、多功能的結構，所以隻調節橫向足弓這個變量，而不影響到其他部分去驗證這一理論是不可能實現的。因此，利用腳的機械仿制實驗，研究人員想出了一個新穎的辦法，來測試橫向弓在人的腳裡是否以同樣的方式工作。

視頻說明：

• 視頻中的兩根長棍代表我們腳上的小型長骨即跖骨，中間由一張紙片相連，紙片代表跖骨之間的彈性組織。
• 當後面的結構沒有弧度時，挂一重物，前面的部分就下垂變形了。但是當後面的結構開始橫向彎曲，前面部分的變形就減小了，表明有弧度的結構具有更強的抗變形能力。
• 當紙片被剪開，雖然後面的結構仍保持橫向彎曲，其抗變形能力卻消失了。
• 這證實了橫向彎曲的結構之所以更能抵抗變形，是因為後面的彎曲結構配合了前面連接紙片的拉伸。

“我們發現橫向的彈簧——用來模拟腳内部橫向的彈性組織——對弧度引起的抵抗變形能力非常關鍵。” Venkadesan實驗室的博士生Ali Yawar說。“所以我們推測，保持其他條件不變，如果去掉橫向的彈性組織，真實的腳抵抗變形的能力會下降。”

實驗二：屍體足

他們還與耶魯大學醫學院研究員Steven Tommasini一起，在屍體的腳上進行了實驗。

“我們發現橫向的足弓，與橫向的彈性組織一起發揮作用，為足部抵抗變形的能力貢獻了将近一半，大大超過縱向足弓的貢獻，”Venkadesan實驗室的助理研究員Carolyn Eng說。

實驗三：化石樣本足

阿法南方古猿的足部化石，可以看到明顯的橫向足弓的存在

研究結果也許能解釋366萬年前的南方古猿阿法種（1974年在埃塞俄比亞發現的古人類化石露西即屬此種），即使沒有明顯縱向足弓，卻能夠行走并留下類似人類的腳印。

1974年在埃塞俄比亞發現的古人類化石露西複原圖

研究人員與耶魯醫學院教授Andrew Haims合作，開發了一種利用部分足部骨骼測量橫向曲度的新技術。通過應用這一技術來分析化石樣本（包括南方古猿阿法種的化石），研究人員探尋了早期人科的橫向足弓是如何進化的。

Venkadesan說：“我們的證據表明，人類這樣的橫向足弓，可能在350萬年前就已經出現了，比人屬的出現早150萬年，而且是現代人類的進化過程中關鍵的一步。”

研究人員表示，這些發現也為足病醫療、進化生物學和機器人領域打開了新的思路。

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