[생체 역학] 보행 운동(locomotion)

보행 운동

 

보행 운동에서의 에너지

Locomotion은 우리의 일상 생활에서 중요한 역할을 하며, 삶의 질을 유지하는 중추 역할을 합니다. 진화적으로, 우리는 네 다리로 걷는 것에서 두 다리로의 이동으로 전환되었습니다. 미래 기술은 서있는 균형과 같은 다중 감각 통합 과정을 향해 나아가고 있습니다. 걷기의 에너지는 중력 포텐셜 에너지와 운동 에너지와 같은 다양한 형태로 나타납니다.

 

총 에너지는 시스템 내 모든 저장된 에너지 유형의 합이며, 에너지 소비는 작업 생산과 소멸을 위해 사용되는 에너지입니다. 걷기에서의 에너지 소비는 산소 소비, 이산화탄소 생산 및 열 방출을 통해 측정됩니다.

 

걷기에서의 에너지 소비 최소화에는 각 단계에서의 운동 에너지와 중력 포텐셜 에너지의 교환 및 스윙 단계에서의 비활성 근육 사용이 포함됩니다. 

걷기의 메커니즘

 

우리가 땅 위를 걷을 때 우리의 발은 아래로 힘을 가합니다. 이것은 땅 반작용력이라고 알려진 힘입니다. 이 힘은 우리가 발로 밀어 올릴 때 우리가 땅에 가하는 힘에 반응하여 발생합니다. 뉴턴의 제3 법칙에 따르면 모든 작용에는 반작용이 있습니다. 걷는 맥락에서 이것은 우리가 땅에 가하는 힘이 (작용) 우리에게 반작용하는 힘(반작용)으로 작용하는 것을 의미합니다. 이것을 이해하는 것은 걷기 및 다른 형태의 이동의 메커니즘을 이해하는 데 중요합니다.

 

 

내부적으로 발생하는 몸 안의 힘은 근전도(EMG)와 같은 기법을 통해 추정될 수 있습니다. 근전도는 골격 근육이 생성하는 전기 활동을 평가하고 기록하는 기술입니다. 그러나 근전도는 힘을 직접 측정하는 것이 아니라 전압을 측정합니다. 근육 힘 추정은 주로 컴퓨터 모델을 사용하여 수행됩니다. 한편, 몸에 가해지는 외부 힘은 주로 힘 플레이트를 사용하여 측정됩니다. 이 장치는 그 위에 가해지는 힘의 크기와 방향을 측정하여 생체역학적 분석과 연구에 유용한 정보를 제공합니다.

 

 

 

보행 주기(GAIT cycle) 와 걷기

 

게이트 주기의 설명은 보행 또는 달리기에 관련된 움직임 순서를 의미하며, 일반적으로 스탠스와 스윙 두 주요 단계로 나뉩니다. 게이트 주기 동안 "스트라이드"와 "스텝"이라는 용어가 종종 혼용되지만, 각각은 다르게 정의됩니다.

 

스트라이드(stride) 는 한 발이 땅에 처음 접촉하여 그 다음에 같은 발이 다시 접촉될 때까지의 전체 주기를 포함하며, 스텝 (Step)은 한 발이 땅에 접촉하여 다른 발이 땅에 접촉될 때까지의 움직임을 나타냅니다.

 

게이트 주기 동안, 엉덩이와 무릎의 관절 각도가 동적으로 변합니다. 구체적으로, 보행 또는 달리기의 스탠스 및 스윙 단계를 통과하면 이러한 관절에서 굴곡 및 신전이 발생합니다. 엉덩이 굴곡은 허벅다리와 상체 사이의 각도가 줄어드는 움직임을 나타내며, 보통 다리가 앞으로 움직이는 스윙 단계에서 발생합니다. 반면, 무릎 굴곡은 무릎 관절을 구부리는 것으로, 허벅다리와 종아리 사이의 각도를 줄입니다. 이 굴곡은 주로 다리가 지면을 자유롭게 지날 수 있도록 스윙 단계에서 발생한 후, 다리가 지면에 접촉되면서 스탠스 단계 중에 신전으로 전환됩니다. 이러한 관절 각도의 조화된 변화는 전진 추진력을 생성하고 게이트 주기 전체에서 안정성을 유지하는 데 중요합니다.

관절 변화

 

보행 운동 중 몸의 움직임을 측정하는 게이트 운동학은 모션 캡처 시스템 및 웨어러블 센서와 같은 기술을 사용하여 일반적으로 평가됩니다. 스탠스 단계에서의 예측된 순수 근력은 바이오메카닉 데이터를 통합하여 근육이 몸의 무게를 지지하고 앞으로 추진하는 데 필요한 힘을 추정하는 컴퓨터 모델을 활용합니다.