Jim Papadopoulos 从全新的自行车设计中看到了未来。图片来源：Adam Glanzman for Nature

7辆自行车斜靠在Jim Papadopoulos位于美国马萨诸塞州波士顿的地下室的墙上。车身的油漆遍布刮痕，轮胎也已变瘪，作为结婚礼物收到的手工制作的框架则被细细的灰尘覆盖。“我搬家时扔掉了大部分作研究用的自行车。”Papadopoulos说，留下来的都对他别具意义。“这些是我曾经骑过的自行车。”

今年62岁的Papadopoulos几乎大半辈子都在痴迷自行车，并且经常把所有其他事情排除在外。在青少年时期和上大学时，他会参加业余比赛，但对自行车的迷恋越陷越深。在骑自行车时，Papadopoulos从未停止思考这一过程包含的数学谜题。其中最大的谜题是：哪种不可见的力量使骑自行车的人在蹬的时候得以保持平衡？为了倾斜和左转，为何人们必须先右转？在没有骑车人驱动时，自行车如何自己保持平稳？

当Papadopoulos还是康奈尔大学一名年轻工程师时，他便带着极大热情研究这些问题。不过，Papadopoulos并未将大部分想法发表，并且最终退出了学术界。到上世纪90年代末，他在一家制造厕纸生产机器的公司工作。“最终，如果没有人发现你的工作，它就会变得毫无意义。”Papadopoulos说。

不过随后的确有人发现了他的工作。2003年，Papadopoulos的老朋友、他在康奈尔大学的合作者Andy Ruina打电话给他。来自荷兰的科学家Arend Schwab也来到他的实验室，使该团队关于自行车稳定性的研究得以起死回生。

研究人员接着破解了持续一个世纪的争论：是什么让自行车在没有骑车人的情形下自己保持平衡，并将成果发表在英国《皇家学会学报》和《科学》杂志上。他们为500亿美元的全球自行车行业注入新的科学元素。这个行业更多地依靠直觉和经验而非严谨的数学原理。他们的发现推动了一些急需的创新——或许能帮助设计者创造骑上去更加平稳和安全的新一代脚踏和电动自行车。从自行车中获得的见解还可能转移到其他领域，比如修复学和机器人学。

从头开始

Papadopoulos的第一个目标是最终理解是什么让一辆自行车比另一辆更加平稳。他坐在办公室里，仔细查看着30项已公开的试图写出自行车运动方程的努力。Papadopoulos说，自己被“伪科学”震惊了。这些等式是将自行车框架的几何学同其操控方式联系起来的第一步，但每个新模型都极少或者没有涉及此前的工作。很多模型错误百出，并且比较起来非常困难。他需要从头开始。

经过一年的努力，Papadopoulos手头上有了一组他认为很可靠的方程。现在到了和这些等式“针锋相对”的时候。“我每次都会坐上好几个小时，盯着这些方程，试图弄清楚它们暗示着什么。”

他首先从关键变量——后倾角曳引力距的角度重写了自行车方程。Papadopoulos希望发现，如果曳引力距是负的，自行车便会不稳定。不过，他的计算结果显示了不同意见。在当时准备的一份报告中，Papadopoulos勾勒了一辆奇形怪状的自行车。其重量装置伸出，位于车把前面。“一个足够向前的质量中心能弥补负数值较小的曳引力距。”他写道，似乎没有一个变量能解释自行车的自我稳定性。

此项发现意味着，并没有简单的经验法则保证一辆自行车骑起来很容易。曳引力距会派上用场，陀螺效应有用，质量中心也起到一定作用。对于Papadopoulos来说，这很有启示性。最早的框架构建者只是无意中发现了感觉还不错的设计，然后一直在自行车宇宙的一个小角落里转圈。实际上，这里面有很多能改变自行车设计的未经测试的几何学。

半途而废

当Ruina获得康奈尔大学的职位时，他雇佣Papadopoulos做博士后。不过，两年后，Ruina无法再为Papadopoulos提供支持。除了自行车生产商Murray，两个人从行业中获得的唯一捐赠来自小轮自行车制造者——Dahon和Moulton。这或许是因为小轮自行车的非传统设计使它们骑起来非常棘手。Ruina开玩笑说，他应当将名字改成“折叠式自行车研究项目”。这是一种面临大难时的幽默。

尽管Papadopoulos在自行车的数学原理方面取得了进展，但他作为第一作者仅发表了一篇和该主题相关的文章。“我从作出新发现和弄清楚细节中找到了更多快乐。当然，把它们写出来是一件很无趣的事情。”没有了资金和论文，Papadopoulos用在自行车研究上的时间越来越少。1989年，他把自行车放进一辆搬运车并且驱车西行至伊利诺伊州。在那里，他当时的妻子有一份工作。虽然Papadopoulos讨厌先后从事的教学和业界工作，但他一直忍受着。在空闲时间，Papadopoulos为自行车科学的狂热爱好者建立了“自行车科学中坚分子”邮件列表，并且帮助电视真人秀——“垃圾场战争”制造了一辆被装进几个手提箱中的汽车。

2001年，麻省理工学院工程师、首批现代斜躺自行车的发明者之一David Wilson邀请Papadopoulos合著第三版《自行车科学》。当时，Papadopoulos被债务和工作压倒了。他没有给Wilson发送第一章节，并在随后完全停止了回应邮件。Wilson有种被出卖的感觉。“他是一个非常聪明的家伙。”Wilson说，“但他总是在完成事情时出现问题。”Papadopoulos表示，自己的确完成了工作，但比应该完成的时间晚了两年，而这部分是因为给他造成压力的离婚。

重返学术界

2002年，Schwab决定利用休假时间和Ruina呆在一起。他们开始讨论过去的自行车研究。正是在那时，Ruina给Papadopoulos打电话，并为他支付了到访的费用。“那是我第一次见到这个天才。”Schwab说。

如今，Schwab拥有了Papadopoulos梦寐以求的实验室。而对于能同Schwab合作，后者也一直心存感激。“这是你能想到的最美妙的事情。”Papadopoulos说。Schwab的其他项目包括使其得以将转向动作同平衡动作分开的“线控转向”自行车，以及可在低速状态下自己保持稳定的“转向辅助”自行车。

他还发明了展示出自我稳定性的向后操控的斜躺自行车。这部分归功于令陀螺效应加强的增大前轮。向后操控斜躺自行车的最大优势在于，和标准斜躺自行车相比，它拥有较短的链条，而这会带来更好的能量转移。“人们此前也尝试制造过这种自行车，但它们都没法骑。”Schwab介绍说。

与此同时，如今在波士顿东北大学获得一份教职工作的Papadopoulos，正试图再次适应学术界。他正在建立各种合作关系，并且测试关于为何一些自行车在高速状态下会摇晃的“休眠”已久的想法。他相信自己能利用阻尼器吸收车座中的振动，以消除这种摇晃。同时，Papadopoulos和新同事、学生一起，将研究扩展到并非全部和自行车相关的其他类型的问题上。

在地下室里，Papadopoulos打开一个将文件归档的棕褐色橱柜的抽屉，并且开始翻阅标有诸如“轮胎气压”“生物机械学”“康奈尔大学”等各种标签的变皱的马尼拉文件夹。他抽出一本教科书。“《运动生理学》？我从未真正钻研过它。”他说着，并将书扔在一边。在抽屉后面，Papadopoulos找到了一个写着自行车研究想法的厚文件夹，上面标着“未完成”。

他想了几秒钟，然后纠正说：“大部分未完成。”