为什么地球生物没有进化出轮子这类或履带结构？

很好的问题，我来详细讲讲。

想象你赶公交要迟了，你拼命往前跑，跑了一百多米就喘成狗了。这时你发现路边有几辆共享单车，你果断取了一辆骑上，轻轻一踩，速度就上去了。你一定觉得，轮子真TM是个好东西啊！

你赶上了公交，坐在座位上想，轮子这么好的东西，我身上怎么没长两个呢？上天怎么偏偏给了我两条腿。莫非是自然选择把轮子漏掉了？不，你不相信自然选择会出错。自然选择连眼睛这么复杂的结构都能进化出来，怎么可能漏掉轮子？你知道自然选择创造出了很多效率高的出奇的运动结构，比如奔跑速度能达到112km/h的猎豹，游泳速度能达到112km/h的旗鱼。但是它并没有选择轮子，难道是。。。

你可能已经猜到了一个可能，但你会怀疑：也许轮子的效率并没有你所想的那么高？事实上，自然选择也进化出了轮子，比如这种螳螂虾，有时会把自己卷起来移动。

你想，好吧，自然界中还是有轮子的。不过要是把自己卷起来在大街上滚，看起来也太蠢了，而且应该也滚不快吧。。。为什么自行车却很省力呢，到底出了什么问题？

其实你前面猜的感觉已经有点对了，轮子的效率可能高，可能不高。

想象一个完美的圆形轮子在平坦又坚固的地面上，你轻轻推了一下，它就滚了好远。你拿着这个轮子来到公园的草地上，还是轻轻推了一下，结果它没滚多远就停了（如果你想象到你的轮子倒了，那你应该想象一个更宽的轮子）。你想，哦，一定是草地太软了，带来了阻力。那我要问你，你自己在草地上走，和在平坦又坚固的地面上走，感觉区别大吗？你在草地上有明显觉得更费力吗？

你会说，那这么看来，腿对地形不那么敏感，所以大自然更喜欢腿这种设计？你可能是对的，但我不是大自然，我不知道。确实，轮子更像是针对特定环境做了优化后的设计，但谁说腿就没有被优化过呢？自然选择，是一种优化算法，所有表现优秀的设计都像是被优化过的。

我想让你继续思考的是，腿和轮子有哪些共同点，有哪些相似之处？这两者看起来区别挺大的是不是？当你走路的时候，你会先抬起一条腿，伸到前面，放下，以此为支点，重心向前移动，抬起后一条腿，跨到前面，如此反复交替。而轮子滚动时只是一直压着地面往前滚。

但我们可以这么来看，你拿一个车轮，把轮框去掉，只留下辐条，像这样。

但愿这些辐条足够结实。如果你骑着有这样轮子的自行车，那应该不会太舒服。不过。。。阿迪达斯还真有这样的自行车。

有机会不妨试试。所以，你可以把轮子想象成这种有很多条腿的设计。如果你加上更多的辐条，越来越密，最后你就会得到一个正常的实心轮子，也就不颠了。不过，我们真的不用装这么多条腿。你可能已经注意到了，对于这种没有轮框的轮子，最多也同时只有两条腿着地。如果能设计一种机构，当后一条腿离地后，迅速把它转到前面，那么两条腿就足够代替这很多条腿了。

把后一条腿换到前一条腿前面，其实没必要绕一大圈。你从一岁多就已经知道该怎么做这件事了。你不会把后一条腿甩过头顶绕到前面去，我也不认为你有那本事。

所以，为了把一条腿挪到前面，同时不蹭到地面，你可能会把腿弯一点来缩小长度，或者左右晃动改变身体的重心，像鸭子或企鹅那样走路，或者，你同时使用两者。

当你仔细想象这整个过程时，你大概会觉得，有的运动多余，浪费了能量，却又似乎不可避免。当你走路的时候，你的重心也会上下移动，也在颠。但我刚说了，你的腿可以弯。假如，当你往前移动的时候，弯曲支撑你的那条腿，让你的重心高度不变，好像就不颠了。不过你真应该试试保持自己重心高度不变走路，不自然，反而很累。

你可能还会考虑那个让你不舒服的轮子。如果你把那个奇怪车轮的辐条都换成能纵向压缩的弹簧，假如你能设计的弹性刚刚好，使得你骑的时候重心高度不变。会怎样？或许不好想象。不过我说了，如果辐条足够密，它就会变回一个正常的车轮。而你，多半是骑过一个胎压不足的正常车轮。确实，重心高度没变，车胎不断被挤压又弹回去，却有很多能量在这一过程中被浪费掉了。显然，只考虑重力势能的变化是不对滴。

那么我们现在保持自然的方式走路，是不是就是最高效的呢？差不多是，不过这取决于你的前进速度。走路的时候，支撑你身体的腿几乎不会弯曲。你宁可自己的身体上下颠，因为这样更节省能量。不过，你需要不断把后面的腿换到前面。这是必要的能量消耗。但是当你越走越快，继续用这种方式前进就吃不消了。因为你需要用更高的频率切换双腿，更大范围的加减速，更多的能量消耗。

这时，你可能会自然切换到慢跑。你的前进方式已经改变了。支撑你身体的腿开始像弹簧一样工作，落地时压缩，然后发力释放，使得你每一步可以跳出更远。这反而减少了你切换腿的频率，减少了能量消耗。

这么看来，自然选择让我们用腿移动也是一种优化的设计，是针对一定的移动速度进行优化。不过，不一定是针对唯一的速度区间。我们人是跖行动物，这意味着我们用整个脚掌着地走路。但当我们奔跑的时候，一般只用前脚掌，更接近趾行动物。这时，步态已经改变了。

我们腿的设计针对两种速度区间进行了优化，而有的动物则更多。比如马，有三种步态。马也会选择对于当前速度最高效的一种。

你可能想问，用腿移动真的很高效吗，甚至比轮子更高效？是的，去跑一场马拉松会消耗你大约3000大卡的热量。如果你计算一下移动单位质量单位距离所需要的能量，那么你比大多数交通工具都要高效。

事实上，人类制造了许多先进的交通工具，用了设计优秀的轮子，高精度加工的轴承。这些交通工具在空载的情况下几乎都不如动物高效。只有当负载增加时，才可能有一些优势。

最后，安利一下Coursera上宾夕法尼亚大学的机器人系列课程。其中Mobility课程主要就介绍了多足机器人，非常有启发性。虽然我现在不做这个领域的研究，但只要你有兴趣，我会毫不犹豫地把你引到这个坑里。

既然这么多赞，那就再加点东西吧。有的评论已经想到了，骑完马拉松应该比跑完更省劲。不过马拉松还是枯燥了一点，如果是越野跑甚至天空跑呢？这里可以看看K天王2小时速攀马特洪峰的逆天操作。

https://v.qq.com/x/page/n0320cnjrm2.html

当然去年阵亡的瑞士机器的操作也很骚。

https://youtu.be/VA0QopkQYjY

看完后你可能会思考更多的问题。