[논문 리뷰] More than energy cost: Multiple benefits of the long Achilles tendon in human walking and running

Anthony J. Blazevich, Jared R. Fletcher|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 26.

Muscle activation and electromyography studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 인간의 장애아킬레스건이 걷기와 달리기 동안 에너지 소비를 줄이는 것 외에도 다양한 생체역학적 및 생리적 이점을 제공한다고 제안한다. 더 짧고 가벼운 근육을 가능하게 하고 탄성 에너지 저장을 향상시킴으로써 몸통의 관성력을 감소시키고 충격력을 최소화하며 진동을 완화하고 근육 손상을 줄이며, 이로 인해 신경운동성 피로와 주관적 노력감이 감소한다. 이러한 요소들이 함께 작용하여 초기 호미닌에서 더 긴 건의 진화적 선택을 이끌었을 가능성이 있다.

ABSTRACT

Elastic strain energy is stored and released from long, distal tendons such as the Achilles during locomotion, reducing locomotor energy cost by minimising muscle shortening distance and speed, and thus activation. However, numerous additional, often unrecognised, advantages of long tendons may speculatively be of greater evolutionary advantage, including the reduced limb inertia afforded by shorter and lighter muscles (reducing proximal muscle force requirement); reduced energy dissipation during the foot-ground collision; capacity to store and reuse the muscle work done to dampen the vibrations triggered by foot-ground collisions; and attenuation of work-induced muscle damage. Cumulatively, these effects should reduce both neuromotor fatigue and sense of locomotor effort, allowing humans to choose to move at faster speeds for longer. As these benefits are greater at faster locomotor speeds, they are consistent with the hypothesis that running gaits used by our ancestors exerted substantial evolutionary pressure on Achilles tendon length.

연구 동기 및 목표

• 장애아킬레스건의 탄성 에너지 회수 이외의 생체역학적 및 생리적 이점들을 조사하는 것.
• 건 길이가 근육 힘, 몸통 관성 및 운동 효율성에 미치는 영향을 탐구하는 것.
• 운동 중 신경운동성 피로와 주관적 노력감 감소에 건 길이가 어떤 역할을 하는지 평가하는 것.
• 인간의 보행과 내구성 능력에서 건 길이의 진화적 함의를 평가하는 것.

제안 방법

• 걷기 및 달리기 운동 중 근육-건 기계적 특성 분석 모델링.
• 짧은 근육 길이와 감소된 수축 속도로 인한 근육 힘 감소의 정량적 평가.
• 긴 건으로 인해 가능해지는 더 짧고 가벼운 근육에 의한 몸통 관성 감소 평가.
• 발-지면 충격 시 에너지 손실과 건 탄성에 의한 진동 완화 모델링.
• 탄성 에너지 저장 및 방출을 통한 운동 유도 근육 손상 완화 평가.
• 이러한 요소들을 통합하여 운동 효율성과 피로 감소의 통합적 프레임워크 구축.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장애아킬레스건이 탄성 에너지 회수 이외에 어떤 생체역학적 이점이 있는가?
• RQ2 건 길이는 운동 중 근육 힘 요구량과 몸통 관성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 건 탄성이 발-지면 충격 시 에너지 손실과 진동을 어느 정도 감소시키는가?
• RQ4 건 길이는 운동 유도 근육 손상 완화에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 장애아킬레스건이 더 길어지도록 유도한 진화적 압력는 무엇이었을까?

주요 결과

• 장애아킬레스건은 더 짧고 가벼운 근육을 가능하게 하여 몸통 관성을 감소시켜 운동 중 보다 낮은 근육 힘 요구를 초래한다.
• 건의 탄성 에너지 저장 및 방출은 근육 수축 거리와 속도를 감소시켜 활성화 요구를 낮춘다.
• 건의 탄성은 발-지면 충격으로 인한 충격력과 진동을 완화시켜 에너지 손실을 줄인다.
• 근육 손상 완화에 기여하는 탄성 에너지의 저장 및 재사용 능력으로 인해 신경운동성 피로가 감소한다.
• 이러한 복합적 이점들은 주관적 운동 노력감을 감소시키고 지속적인 빠른 속도 유지 가능성을 높이며 내구성 운동 성능을 지원한다.
• 이러한 이점은 높은 운동 속도에서 더욱 두드러지므로, 러닝 능력이 있는 호미닌에서 더 긴 건의 진화적 선택이 있었을 가능성이 있다.