企鹅走路为什么会摇摇晃晃

出品：科普中国

制作：苏澄宇
监制：中国科学院计算机网络信息中心

都说企鹅可爱，人们之所以觉得它可爱，一部分是因为它憨态可掬，配色和熊猫一样都是黑白相间的，另一部分是因为它走起路来摇摇晃晃。

左右摇晃看着就很浪费能量…… 图源：giphy

走路晃头晃脑的，在冰面上行走自然容易摔倒。

哎呀我摔倒了 图源：giphy

不过企鹅为什么要左右摇摆呢？为什么就不能好好走路呢？

摇摆不是卖萌，而是为了提高行走效率

加州大学伯克利分校的 Timothy m. Griffin 和科罗拉多大学博尔德分校的 Rodger Kram做了一个研究，关于企鹅走路的力学分析 。他们发现企鹅这么走路是为了提高能量的利用效率。

是不是觉得不可思议？因为企鹅走路看起来其实很不高效，企鹅是要向前走的，但它却向左右方向摇晃，左右摇晃和前进是矛盾的，感觉能量被分走了一部分给左右摇摆。

在介绍实验之前，先来讲讲行走效率是怎么一回事。

行走效率不仅仅取决于肌肉和骨骼的形态，还取决于如何使用它们。人类的步态之所以高效，是因为我们每走一步都会轻微地向前倾斜，借助重力推动我们前进。如果我们不利用重力，单纯靠肌肉的发力，那么我们就要多花费65%的能量。这65%也被成为能量回收率。

接下来介绍实验，科学家去海洋公园那里找了5只帝企鹅，连哄带骗地把人家引到了一个专门为企鹅设计的“跑步机”上。这个跑步机可以测试企鹅每一步的力量大小、方向以及移动速度。

研究中，两个科学家测量了帝企鹅行走过程（0.5m/s）中的能量回收率，居然达到了80%，超过了人类的回收效率。不仅如此，研究者还认为企鹅步态是所有陆行动物中能量回收率最高的。

a、b 帝企鹅在0.54m/s行走速度时的重力势能和动能的波动图 c 、dy摇摆的能量回收效率 图源：文献1

假如企鹅没了摇晃的侧向运动，那么它的步行效率将会降低很多。因为企鹅的左右摇摆的时候，重心会发生变化，产生重力势能，进而转化为动能。

但企鹅行走消耗的能量是同体型动物的两倍（能量回收率和能量大小是两个值）。

因为它们的腿太短了，而且大部分的腿还藏在了厚厚的羽毛下面，这导致它行走太困难了，耗能高也是自然而然的。

图源：Wikipedia

和珍珠鸡、鸵鸟一比，你就知道企鹅的腿是多么短小了。

图源：文献1

最后，科学家得出结论，企鹅的步态不是因为左右摇晃才耗能高，而是因为腿太短了，相反，左右摇晃是为了弥补腿短的缺陷。

瘦企鹅是怎么走路的？

后来，其他科学家对企鹅步态做了进一步的研究 ，看看体重变化会不会对步态造成影响。

只不过他们没找帝企鹅，而是找了10只王企鹅，而且它们的体重也比一般的企鹅要肥。同样地，它们也被安排上了跑步机，跑步机时速为每小时1.4公里。另外也多记录了企鹅三轴运动（前后、上下、左右）加速度的数值。

企鹅身体左右摇摆加速度随时间的变化，正值表示右侧倾斜，负值表示左侧倾斜 图源：文献2

它们在保持原有体重的情况下，先在跑步机上测试，科学家记录了运动时候的相关数值。后来，科学家让企鹅禁食两个星期，体重减下来了2公斤多点，然后再上跑步机测试。

王企鹅在跑步机上 图源：sciencenews

成年王企鹅在保护它们的蛋时，有时会禁食长达一个月，但它们会提前储存几磅脂肪作为补偿，所以不用担心禁食两周是虐待。这也是为什么科学家会选择肥一点的企鹅，这样体重变化更容易也更明显，方便科学家们研究体重对企鹅步伐的影响。

原本以为，体重变轻了，走路自然轻松了，速度自然会加快。因为不管是现实中的观察，或者一些科学研究，都表明肥胖的人或者孕妇很容易改变步态来应对体重的增加，比如拓宽他们的站姿，步伐更短。

但令科学家惊讶的是，虽然企鹅减肥后左右摇晃的幅度减小了，但并没有改变它们的步频或姿势。

相对于瘦子企鹅（11kg），胖子企鹅（13.2kg）的重心稍微向前一些，走起路就不太稳 图源：文献2

这个研究表明，企鹅越胖，左右摇摆幅度越大。结合前面第一个研究，可以得出结论，企鹅之所以摇摇晃晃是因为腿短，而摇晃的幅度大小则取决于体重大小。而这一切最终都可以解释为，为了节省能量……

当然，我不知道对人来说，更胖的人走路时左右摇摆会不会提高能量回收率，哪个人来试试？

参考资料：

1、^Griffin T M, Kram R. Penguin waddling is not wasteful[J]. Nature, 2000, 408(6815): 929-929.

2、^Willener A S T, Handrich Y, Halsey L G, et al. Fat king penguins are less steady on their feet[J]. Plos one, 2016, 11(2): e0147784.