以下文章经The Conversation许可转载，The Conversation是一家报道最新研究的在线出版物。
如果您在动物园或幸运的话在野外观察过火烈鸟，您可能想知道火烈鸟是如何单腿站立睡觉的。
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当然，作为人类，我们认为单腿站立很困难，因为这对我们来说很难。当您抬高腿，举起手臂并倾斜头部时，瑜伽中的树式变得越来越困难。如果您闭上眼睛，它几乎变得不可能。我们大多数人会摇晃和摇摆，然后放下脚，并甩动我们站立的那条腿。
作为科学家，我们两人都对大脑如何控制身体感兴趣——我们称之为神经力学的领域，它位于生物力学和神经科学的交叉点。我们最新的研究问题：火烈鸟究竟是如何单腿站立的？我们的搜索使我们近距离接触了一群幼年火烈鸟，甚至还有火烈鸟骨骼和尸体，以弄清楚它们是如何实现惊人的平衡壮举的。
被动或主动稳定？
当我们查阅文献时，我们没有找到任何关于这些标志性鸟类如何做到这一点的报告，但有几种关于它们为什么要单腿站立的理论。
有些人认为这是为了保存在冷水中站立而损失的体热。单腿站立大概可以将热量损失的能量减半。
另一种假设是，单腿站立减少肌肉疲劳，让一条腿休息，而另一条腿支撑身体。这个理论是基于这样的想法，即双腿站立比交替单腿站立更累，但从未有人直接测试过这一点。
任何动物消耗的大部分代谢能量都归因于肌肉的激活，因为它们站起来对抗重力并控制运动。如果单腿站立会增加能量消耗，那么火烈鸟为了节省热能损失而损失肌肉能量消耗就没有多大意义了。如果单腿站立对火烈鸟来说是疲劳的，那么它们为什么要在一只腿和另一只腿之间切换，而不是双腿站立呢？
当您在杂货店排队时，您不会弯曲膝盖站立——那将需要您消耗大量能量来激活腿部肌肉。想象一下，保持蹲姿，大腿水平，膝盖成直角——您会很快感到灼热感。火烈鸟的腿（像其他鸟类一样） постоянно处于“弯曲膝盖”的状态，因此可能需要大量的肌肉能量消耗或肌肉力量来支撑它们的体重。
许多动物已经进化出各种移动方式，以最大限度地减少它们消耗的能量，无论是企鹅摇摆和长臂猿在树林中荡漾的摆动机制，还是弹跳机制蟑螂。
其他动物，如马，已经进化出被动稳定机制，使它们能够在站立时睡觉。悬挂的蝙蝠和栖息的鸟类已经进化出被动抓握机制，使它们可以安心睡觉，而无需担心失去抓地力。
我们着手探究火烈鸟主要依靠被动生物力学还是主动神经系统干预来单腿站立。
检查火烈鸟，包括活的和死的
科学家研究平衡的一种方法是让人或动物站在一种称为力板的设备上，该设备测量它们施加到地面的力。它就像一个花哨的Wii平衡板。从这些测量中，我们可以计算出“姿势摇摆”——当站立在一肢、两肢甚至四肢时，身体的持续运动。
我们在机械稳定的结构中看不到姿势摇摆，例如桌子。
虽然站立平衡是我们人类认为理所当然的事情，但它实际上是一个非常积极的过程。神经系统不断感知身体站立时的运动，并通过激活肌肉进行纠正。姿势摇摆的程度是神经系统活动的间接指标。除非我们的平衡出现问题，否则我们通常不会注意到这些微小的运动。想想在移动的表面上闭上眼睛，或者在头晕时站立。
在我们的测量中，我们发现来自亚特兰大动物园的幼年火烈鸟在单腿站立入睡时，姿势摇摆非常小。当它们清醒时，并且在单腿站立的同时梳理羽毛或与伙伴打闹时，它们的姿势摇摆速度增加了七倍。
火烈鸟站在力板上时，脚下压力中心 (CoP) 位移和速度的可视化。当鸟闭上眼睛时，位移非常小；当鸟清醒且静止时，位移稍大；当鸟清醒且移动时，位移更大。Chang and Ting, Biology Letters, CC BY-ND
这是怎么发生的？我们查阅了火烈鸟的解剖学报告和骨骼，看看我们是否能找到生物力学稳定机制的证据，这些机制可以帮助火烈鸟轻松地单腿站立。在没有找到明确的演示后，我们决定我们需要对火烈鸟的形态进行自己的研究——即鸟的结构特征以及它们如何协同运作。
虽然实际机制仍不清楚，但我们从火烈鸟尸体中获得了一个意想不到的发现。如果您像棒棒糖一样用一条腿以适当的角度将其举起，它会被动地采用看起来像火烈鸟单腿站立的身体构造。当我们前后倾斜身体最多 45 度时，身体构造是稳定的，膝盖保持直角。当我们试图操纵身体时，我们发现关节在抵抗重力拉力方面非常稳定，但关节可以很容易地向另一个方向移动。
重力加上解剖结构完成工作
我们的研究结果表明，重力以及火烈鸟解剖结构的特殊性，在帮助动物单腿保持稳定方面发挥着重要作用，而无需锁定关节，这可能使它们在必要时能够快速逃脱。从正面观察时，尸体腿的角度类似于我们观察到活体动物单腿站立时的内倾。当腿像单腿姿势一样向内倾斜（从正面观察）时，关节变得非常稳定。如果我们使尸体腿更直立——也就是说，从正面观察时更垂直，类似于火烈鸟双腿站立时的姿势——身体就不再稳定。由于肌肉在已死亡的动物体内不活跃，我们认为这意味着肌肉必须被激活才能使火烈鸟保持双腿姿势，而不是单腿姿势。
在我们的调查之前，我们可能认为火烈鸟单腿站立需要大量的肌肉能量。但显然并非如此。它们可以轻松且长时间地保持对我们来说会很快变得非常不舒服的蹲姿——而几乎不使用它们的肌肉。
我们为什么要关心？这项研究是一项有趣的探究，揭示了火烈鸟的单腿站立与人的单腿站立有多么不同。作为科学家，研究自然奇观并观察物理学和生物学如何在动物行为中交织在一起，是令人欣慰的。尽管如此，仍然可以从中吸取一些实际教训。具有电动关节和腿的工程系统，例如某些假肢设备和人形机器人，仅站立就需要消耗大量能量。也许使用一些火烈鸟平衡原理可以帮助设计更稳定、更灵活、更高效的假肢和机器人。
本文最初发表于The Conversation。阅读原文。