Simultaneous stabilizing feedback control of linear and angular momentum in human walking

걷는 것을 몸이 앞으로 나아가면서 동시에 똑바로 서 있으려고 끊임없이 노력하는 섬세한 균형 잡기라고 상상해 보십시오. 오랫동안 과학자들은 이 균형의 비결이 주로 여러분의 질량 중심(모든 체중이 집중된 평균 지점)을 조절하는 데 있다고 생각했습니다. 그들은 몸이 흔들리기 시작하면, 뇌가 발의 위치를 옮겨서 마치 줄타기 곡예사가 줄 위에서 중심을 잡기 위해 장대를 움직이는 것처럼 떨어지는 운동량을 "잡아내도록" 명령한다고 믿었습니다.

하지만 이 새로운 논문은 기존의 설명이 이 퍼즐의 결정적인 조각 하나를 놓치고 있었다고 제안합니다. 연구진이 발견한 내용을 다음과 같이 간단히 정리했습니다.

오해된 메커니즘

여러분의 몸을 앞으로 나아가려고 노력하면서 동시에 회전하는 팽팽 돌아가는 팽이와 같다고 생각해 보십시오.

• 기존의 관점: 과학자들은 발이 몸 아래로 이동할 때, 그것이 자동차의 속도를 변화시키기 위해 손으로 차를 미는 것(선운동량)과 같다고 생각했습니다.
• 실제: 이 논문은 발을 움직이는 것(압력 중심의 이동)이 자동차 엔진처럼 몸을 앞뒤로 밀어내는 것이 아니라는 점을 지적합니다. 대신, 발을 움직이는 것은 마치 스티어링 휠(운전대)을 돌리는 것과 같습니다. 이는 몸이 직선으로 얼마나 빨리 이동하느냐가 아니라, 몸이 어떻게 회전하거나 회전하는지(각운동량)를 변화시킵니다.

"두 단계"의 댄스

연구진은 인간의 보행에서 몸이 단순히 전진 운동이나 회전 운동을 따로 처리하는 것이 아님을 깨달았습니다. 몸은 이 두 가지를 정확히 동시에, 완벽하게 동기화된 리듬으로 수행하고 있습니다.

여러분이 저글링을 하며 외발자전거를 타고 있다고 상상해 보십시오. 여러분은 자전거를 앞으로 계속 나아가게 만드는 동시에(선운동량), 팔과 몸이 통제 불능으로 회전하지 않도록 유지해야 합니다(각운동량). 이 논문은 우리의 뇌가 실제로 이 두 가지 "업무"를 동시에 관리하고 있다고 주장합니다.

발자국 단서

연구는 발이 지면에 닿는 지점과 몸의 무게 중심 사이의 거리를 조사했습니다.

• 발견: 그들은 발의 위치를 조정하는 방식이 단순히 앞으로 또는 뒤로 넘어지는 것을 막기 위한 것만이 아니라는 것을 발견했습니다. 그것은 여러분의 전진 속도와 회전 균형을 동시에 바로잡는 영리한 기술입니다.
• 비유: 무용수가 회전을 교정하는 모습을 생각해 보십시오. 만약 무용수가 약간 왼쪽으로 발을 내디딘다면, 그것은 단순히 옆으로 움직이는 것처럼 보일 수 있지만, 그 한 번의 발걸음은 전진 운동량을 일정하게 유지하는 동시에 몸이 너무 빨리 회전하는 것을 막아줍니다.

그들이 증명한 것

연구진은 수학과 일반적인 속도 및 느린 속도로 걷는 사람들의 실제 데이터를 사용하여 다음을 증명했습니다:

1. 여러분의 몸의 전진 추진력과 회전 경향은 매우 유사하고 반복적인 패턴을 따릅니다.
2. 발이 지면에 가하는 힘은 이 두 가지 패턴을 모두 바로잡는 것과 직접적으로 연결되어 있습니다.
3. 발의 배치를 살펴본 이전 연구들은 비록 인지하지 못했을지라도, 사실 이 "이중 제어"의 결과를 보고 있었던 것입니다.

요약하자면: 인간의 보행은 단순히 질량 중심이 떨어지지 않게 유지하는 것이 아닙니다. 그것은 뇌가 발의 위치를 사용하여 전진 속도와 몸의 회전을 모두 제어함으로써, 여러분을 똑바로 서 있게 하고 매끄럽게 움직이게 만드는 정교하고 동시적인 댄스입니다.