运动中的身体：探索未来旅行的人类极限

1999 年 10 月 25 日上午，机长迈克尔·克林和副驾驶斯蒂芬妮·贝勒加里格驾驶一架 Learjet Model 35 离开奥兰多，飞往达拉斯，乘客包括职业高尔夫球手佩恩·斯图尔特、斯图尔特的经纪人罗伯特·弗雷利和范·阿尔丹以及高尔夫球场建筑师布鲁斯·博兰德，他们计划在那里修建一座新球场。Learjet 飞机经常用于此类旅行，堪称工程奇迹：它可以在一分钟内爬升 4,340 英尺，巡航速度高达 530 英里/小时。1976 年，一架类似的 Lear 36 型飞机创下了环球飞行速度记录。

当机组人员向北飞行时，他们收到了杰克逊维尔管制员的指令，首先爬升至 26,000 英尺，然后是 39,000 英尺。“三九零布拉沃阿尔法，”副驾驶确认道。这是她最后一次发送信息。几分钟后，里尔喷气式飞机平稳飞行，管制员发出了另一条例行指令。没有人用无线电回复。在接下来的四分半钟里，管制员又五次试图联系机组人员。

当机组人员没有反应时，联邦航空管理局会要求最近的军用飞机进行目视评估——这次是一架 F-16 战机的飞行员，他正在附近的埃格林空军基地进行试飞。试飞员看到里尔喷气式飞机后，报告说飞机的两个引擎都在运转。从所有迹象来看，里尔喷气式飞机运行良好。但试飞员也报告了一个令人不安的细节：里尔喷气式飞机的窗户不透明，好像内部被冷凝水或冰覆盖了一样。

“你可以创建一个系统来做任何你需要它做的事情。但你能保证一个人在里面有意识并活着吗？”很明显，在 Bellegarrigue 最后一次传输后的几分钟内，机舱失去了压力，所有的氧气开始流失。在短短八秒钟内，机组人员和乘客很可能开始出现缺氧——血液中缺氧——这会损害他们最基本的运动和认知功能。他们可能甚至没有意识到有问题，但在泄漏几分钟后，他们可能就死了。

但飞机仍继续飞行，因为飞机并不需要乘客感到舒适才能飞行，甚至不需要他们呼吸。

物质极限

人类是脆弱的。跌落几英尺后，我们的骨头就会断裂。我们的肉体在普通燃木炉的工作温度下就会燃烧。人类居住的最高点不超过 19,520 英尺，没有人能在 26,000 英尺以上存活很久。

与此同时，机器可以承受很多压力。例如，波音 777 的机翼可以从静止位置弯曲多达 24 英尺，任何足以使机翼弯曲到这种程度的湍流都会在损坏飞机之前对乘客造成伤害。1997 年，联合航空 826 号航班从东京飞往檀香山途中遭遇了一场突然的“晴空湍流”，将乘客压在座位上并甩向天花板。这场湍流导致一名乘客死亡，70 人受伤。但飞行员成功将飞机安全返回东京。

这是所有旅行方式的根本限制。“你可以创建一个系统来做任何你需要它做的事情，”前美国空军工程师、现为商业航空公司顾问的迈克尔·普莱尼 (Michael Planey) 说。“但你能让一个人在里面保持清醒和活着吗？这就是挑战。”

未来我们如何从一个地方移动到另一个地方将取决于乘客的承受能力。车身能加速多快？能在一个地方停留多久？一辆车能装下多少人？目前我们对这些物质极限还只是大致了解。

稀缺数据

我们所知道的大部分信息都来自飞行员和宇航员的暴力、经常是意外的经历。1966 年，一名名叫比尔·韦弗的试飞员在 SR-71 黑鸟以 3.18 马赫的速度解体时成功弹射。他的系统官遇难，但韦弗在 78,000 英尺的高度克服了超过 2,000 英里/小时的空气阻力，这说明人类实际上可以承受极高海拔的难以置信的冲击，至少在穿着增压服的情况下是如此。

“舒适度很难量化。我们主要关注的是安全性。”1960 年，空军上尉约瑟夫·基廷格 (Joseph Kittinger) 创造了迄今为止未被打破的最高跳伞记录（102,800 英尺）和人类自由落体穿越大气层的最快记录（614 英里/小时）。1947 年至 1954 年间，莱特航空发展中心航空医学实验室的空军上校约翰·斯塔普 (John Stapp) 在火箭滑橇上反复接受测试，滑橇飞过现在的爱德华兹空军基地。在一次“人体减速器”的运行中，斯塔普在短短几百英尺内从 630 英里/小时的速度完全停下来，经历了 46 G 的减速。

但有关人类耐受力的标准化数据很难获得。美国宇航局太空医学主管 JD Polk 对太空旅行的压力非常了解——他的宇航员在发射台上忍受了数小时的等待，并在失重环境中生活了数月——但即使是他也无法准确说出人类的极限。这是因为工程师无法像测试宇宙飞船的其他部件那样测试人类。在设计航天飞机时，“你可以对某个部件施加压力，直到它断裂，”Polk 说。“人体是工程学中唯一不能失败的系统。”

军方和 NASA 的研究人员并没有真正研究过人类的舒适度，至少不是以商业旅行者所希望的方式。他们并没有试图设计出能说服旅行者乘坐特定航空公司或购买特定汽车的条件。这种区别在伊拉克战争期间得到了凸显，当时巴格达国际机场成为世界上为数不多的平民经常遇到军事效率带来的不适的地方之一。与通常的长距离低空降落不同，商业飞行员必须从高达​​ 35,000 英尺的高度以螺旋形“螺旋下降”的方式下降，以更好地避开火箭弹和小型武器射击。这是标准的军事进近路径。但对于平民来说，这很可怕。“飞机的威力真是令人惊叹，”曾多次飞往巴格达的自由记者汤姆·A·彼得 (Tom A. Peter) 说。“我从未经历过飞机失事，但我必须想象，螺旋式降落是最接近飞机失事的降落方式，而不会真正毁坏飞机。”

美国宇航局工程师达斯汀·戈默特 (Dustin Gohmert) 曾为猎户座飞船的乘员舱设计座椅系统，他直截了当地解释了军用和民用的区别。“舒适度本身很难量化，”他说。“我们主要考虑的是机组人员的安全。”

安全设计

“人体是工程学中唯一不能出现故障的系统。”NASA 对航天器的要求非常高。因为航天器可能会在数小时或数天后坠毁，戈默特说：“我们必须让机组人员能够自救。”有时这意味着要取消常规设施。例如，在猎户座太空舱计划中，戈默特的团队完全取消了座垫。座垫可能将身体与下方的硬座椅分开几毫米，但在突然减速时，身体可能会以足够的力量缩短甚至这么小的距离，造成伤害。猎户座座椅与每位宇航员的贴合度相当高，重量分布使体验或多或少可以忍受。但舒适并不是目标。座椅是宇航员生存的基础。

当然，NASA 也会对登机人员进行严格挑选，这种严格程度进一步限制了该机构能够教给我们的关于舒适度的知识。美国联邦航空管理局要求商业航空公司安全容纳几乎所有类型的人，从身高 5 百分位的女性（约 5 英尺高）到身高 95 百分位的男性（超过 6 英尺 3 英寸）。但 NASA 却不是这样。为确保每位宇航员适应航天器的操作环境，该机构不仅评估身高和体重，还评估每个肢体的各项测量数据。如果不符合要求，就不能飞行。“作为筛查的一部分，我们会对宇航员进行三维身体扫描，”戈默特说。“如果你的股骨太长，可能会被取消资格。”空军飞行员也必须适合他们的飞机——如果腿比设计标准长，在紧急情况下弹射时，飞行员可能会折断腿。

无论身高或体宽如何，平民乘客都希望受到温柔对待。因此，工程师必须设定极其保守的公差。例如，铁路系统设计师认为线性和横向加速度（启动、停止和左右摇晃对乘客施加的力）的可接受限度不超过 0.15 G——大致相当于在月球上感受到的加速度。这个限度允许乘客不用系安全带，在车内自由走动。

但设计约束也会影响速度。1990 年，一项名为“国家磁悬浮计划”的联邦计划的工程师开始调查国内高速磁悬浮列车的潜力——其中最快的列车是上海机场班车，时速可达 268 英里。时任美国公路系统参议院小组委员会主席的丹尼尔·帕特里克·莫伊尼汉建议将磁悬浮列车放置在美国公路中间地带，因此在 1992 年 7 月，为了更好地了解以磁悬浮速度在州际公路上行驶的感觉，四名工程师乘坐私人飞机从国家机场出发。“我们以 180 英里每小时的速度行驶，开始倾斜，就像在纽约州高速公路上转弯一样，”现任磁悬浮顾问的劳伦斯·布洛回忆道。当飞行员来回摇晃飞机，模拟高速公路时，工程师们开始呕吐和干呕。 “让我们感到不适的并不是速度或加速度，”布洛说，“而是倾斜。”

避免恶心

晕动症是少数民用需求与军用需求重合的领域之一；没有指挥官希望他的士兵或宇航员在需要战斗或飞行时呕吐。已经生成了大量数据。例如，1995 年，英国海军医生让参与者以坐直或仰卧的姿势反复进行垂直和水平运动，并确定受试者发现俯卧时的水平运动最能忍受，而坐姿水平运动最难忍受。2006 年的一项研究表明，低频运动（骆驼步态）比高频运动（马步态）更令人恶心。

1881 年，英国医生 JA Irwin 提出了一个公认的观点，该观点在 1970 年得到了 NASA 的广泛认可，即当我们的视觉输入与前庭、内耳输入相矛盾时，我们就会晕车——当我们看到的（静止的舱壁）与我们的感觉（突然加速）相冲突时。这就是为什么乘客比司机或飞行员先晕车的原因。“后座乘客的问题是视线不足，”福特汽车公司汽车设计和信息电子经理 Gary Strumolo 说。他说，这有助于解释为什么即使是那些极易晕车的人也常常可以通过驾驶来避免晕车。

航空旅行也是如此。阿拉巴马州拉克堡美国陆军航空医学研究实验室研究晕动症的心理学家凯瑟琳·韦伯说：“飞行员对飞机的运动有预知能力。”她解释说，对于乘客来说，“对飞机运动的预期往往与实际运动相冲突，因此经常导致晕动症。”

以 Dramamine 为品牌销售的药物茶苯海明可以起到帮助作用，但它也会导致嗜睡，有时甚至会起到致幻剂的作用。NASA 急于寻找替代品，正在研究使用 LCD 快门眼镜，就像在看 3D 电影时戴的眼镜一样。前庭系统受到干扰时，可能会阻止视网膜保持图像稳定，从而引起恶心。快门眼镜会产生频闪效果，将视野分解成离散图像，将每个图像固定在一个位置，这有助于大脑协调前庭和视觉。

目前，良好的视野是缓解晕动症的最佳方法。但向乘客展示飞机的真实运动也会带来问题。在乱流中，坐在飞机后部的乘客与坐在前部的乘客的运动方式截然不同。“如果你的视野清晰，”普莱尼说，“你可以看到机身在扭曲，这是它应该做的。”但这种景象往往会让乘客感到惊慌，因此设计师已经学会了在大多数现代喷气式飞机的内部设置卫生间和窗帘来阻挡视线。

速度有多快？

地球上商业运输的真正极限是什么？假设车辆可以以任何速度行驶在任何路线上而不会发生故障或耗尽燃油。在车上，我们的身体可以承受什么？

世界上飞行时间最长的商业直飞航班是从纽瓦克飞往新加坡，全程 9,535 英里，耗时将近 19 个小时。想象一下磁悬浮列车的旅程。在两座城市之间一条平直的点对点轨道上，商业磁悬浮运营商要想避免乘客投诉，仍然必须遵守 0.15G 的保守加速和减速限制。在这些限制内，列车将持续加速，直到在北极圈某处中途，极短时间内达到 11,000 英里/小时的最高速度。然后，它将立即开始舒适的 0.15G 减速，整个旅程将耗时将近两个小时。然而，如果我们允许理论上的超级列车遵循更宽松的商业飞行标准——1.5 G 的加速度、1 G 的减速度——那么旅程将快得多。列车将利用行程的前三分之一加速到 30,000 英里/小时。然后，它会用剩下的三分之二的行程（稍微）缓慢减速。总时间：46 分钟。抛开所有其他因素（例如会使沿途城镇震耳欲聋的音爆），这是任何付费且有意识的乘客在这个星球上能体验到的最快旅程。

我们距离这样的旅程还有多远？2001 年 3 月，波音公司宣布了其所谓的“音速巡航机”概念，该机能够以接近音速的速度飞行，比波音 747-400 快 20%，后者是目前最快的商用飞机之一。波音公司承诺，这种新型宽体飞机每飞行 3,000 英里，飞行时间将缩短近一小时。

舒适第一

但航空公司大多发现，分散乘客对旅行体验的注意力比缩短旅程时间更简单、更便宜。事实证明，如果乘客对周围环境有掌控感，他们很乐意在飞机上多待一会儿。“观看移动地图显示、机上互联网、电视——所有这些都有帮助，”普莱尼说。

波音公司则认为乘客会更注重舒适性而非速度。2002 年，该公司搁置了 Sonic Cruiser 项目，转而专注于 787 梦想飞机，该飞机将于明年首次进行商业飞行。新飞机借鉴了 Sonic Cruiser 的大部分结构设计；复合材料占飞机的 50%，而 777 只占 20%。

飞行距离不会缩短。但更轻的飞机需要更少的燃料，更重要的是，波音公司声称复合材料将创造更舒适的环境。在传统的铝机身飞机中，金属可能会因机舱内的湿气而腐蚀，因此工程师需要保持环境极其干燥。

在加压的 747 飞机上，乘客所处的高度相当于 8,000 英尺。而在 787 飞机上，乘客所感知的高度可以达到 6,000 英尺，而且空气会更潮湿、更舒适，因为复合材料不会腐蚀得那么快。在波音公司赞助的俄克拉荷马州立大学的一项研究中，500 人模拟了机舱内 20 小时的飞行。乘客们表示，在新的感知高度下，他们感觉疼痛减轻，更加放松。再加上机上娱乐设施和合适的灯光，舒适度似乎不再需要额外的速度。如果时间似乎过得更快，为什么还要设计更快的飞机呢？

这架无人驾驶的里尔喷气式飞机独自飞越了美国大部分地区，除了维持所有人呼吸所需的一个系统之外，飞机的其他部分似乎都运行正常。飞行过程非常舒适，甚至对乘客和机组人员来说也是如此。缺氧的进展——迷失方向、镇静、失去意识——通常对患者来说是难以察觉的。乘客手里拿着饮料或喝了一半的拿铁，整个飞行过程中他们可能都坐在座位上。

旅行的体验让我们误以为运动是免费的。但车辆本质上是茧，而将我们包裹在里面的系统有一个根本目的：让我们感觉不到自己走了多快、走了多远。