Biomechanics의 세계 Pt.1 - 움직임의 기초

Biomechanics 첫 포스팅으로는 기본적인 용어, 그리고 피드백 시스템으로서 사람을 모델링하는 방법에 대해서 알아보겠습니다.

사람은 걷기, 뛰기, 점프, 앞구르기 등 정말 다양한 행동을 할 수 있습니다. 사실 복잡한 행동 (가령, 낙법을 치는 행위)에는 당연히 근육 및 골격의 개입이 그만큼 복잡해집니다. 그래서 가장 단순하고 자주 나타나는 행동인 걷기와 뛰기를 위주로 설명드리는 것이 이해가 용이할 것 같습니다.

아래 그림은 사람이 걸을 때 어떤 일이 생기는지 공대생이라면 익숙할 feedback system으로 표현한 것입니다. 사람의 뇌에서 명령을 내리면 근육과 인대의 움직임을 기술하는 역학이 muscle force를 발생시킵니다. 이런 힘을 기반으로 근골격이 근육과 뼈의 기하학적 구조를 바탕으로 움직이는 moment를 생성하게 됩니다. 이런 moment가 이제 골격의 움직임을 기술하는 역학을 기반으로 각 부분의 acceleration을 기술하게 됩니다. 기초적인 물리 지식으로도 알 수 있듯, 가속도를 적분하면 속도가 되고 각가속도를 적분하면 각속도가 됩니다. 이전 단계에서 구한 각 부위의 acceleration에서 관절의 angle, 뼈들의 velocity를 얻어내서 사람의 몸은  움직이게 됩니다.

다만, 이렇게 움직이기만 하면 저희가 의도한 대로 움직이는지 알 수 없다는 문제가 있죠? 그래서 저희는 시각, 촉각, 혹은 평형 감각 같은 부분들을 동원해서 sensory feedback을 다시 뇌로 전달합니다. 뇌에서 혹시 의도와 다르게 움직이고 있다면 다음으로 내리는 명령에 수정사항을 반영해서 실시간으로 이를 수정하게 됩니다.

사람이 걷는 과정

지금까지는 사람이 움직일 때 어떤 과정을 거치는지 알아봤습니다. 그렇다면 사람이 움직이는 것을 측정해서 아까 2단계에서 얻은 muscle forces을 역으로 추정하는 방법은 어떨까요? 아까 수행한 과정을 그대로 뒤집어서 하면 됩니다. 사람의 몸에 마커를 붙여서 모션캡쳐를 하고, 바닥에 사람이 밟는 힘을 측정하는 force plate를 둬서 각종 수치를 측정해서 인체 각 부분의 position을 얻습니다. 이것을 바탕으로 inverse kinematics라는 과정을 통해서 각 관절의 각도와 배향을 계산합니다. 유일하게 결정되지 않을 수도 있지만, 일단 그런 경우에 대한 세부적 고려는 설명에서 배제하고 해당 내용을 다루는 포스팅에서 설명하겠습니다. 관절 각도를 시간으로 미분하면 각속도, 그리고 각 뼈의 속도를 얻을 수 있겠죠? 여기서 inverse dynamics를 통해 아까 언급된 moment를 얻고, 이런 moment들이 나타나기 위해 필요한 muscle forces를 최적화 기법으로 얻어냅니다.

걷는 사람으로부터 muscle force를 역산하는 과정

운동역학에서 쓰이지만 공학에서는 쓰이지 않아 좀 생소한 표현들도 있을 것 같아서 몇 개 가져와 봤습니다. Biomechanics에서 자주 쓰이는 표현이라 알아두면 좋습니다. 사람의 몸은 세 개의 평면으로 양단할 수 있습니다. xyz라는 Cartesian 좌표계를 기준으로 생각해 보면 당연히 xy, yz, zx 평면이 있으니 직관적으로 이해하실 수 있을 겁니다. Frontal plane은 이름 그대로 정면을 바라보는 평면입니다. 법선 벡터가 제가 사람 정면에 서서 보는 시선과 같다고 이해하시면 됩니다. Transverse plane도 transverse의 뜻을 알면  이해가 편하신데, “횡축" 정도로 번역됩니다. 지면에 나란한 평면이 transverse plane입니다. 그럼 마지막으로 남는 것은 sagittal plane인데, 이것은 몸의 중앙선을 따라 반으로 나누는 평면을 지칭합니다.

아래 이미지는 그 외에 추가로 알면 좋을 용어들을 나타내고 있습니다. Flexion은 근육의 수축, extension은 근육의 이완이라고 생각하기 쉬운데, 사실 관절의 측면에서 보면 이것은 틀린 표현입니다. 두 용어는 신체 부위 사이의 각도에 관련된 표현으로, flexion은 두 부위 사이 각도가 줄어드는 것, extension은 늘어나는 것을 지칭합니다. 운동을 해보신 분이라면 leg extension이란 운동을 들어봤을 수도 있는데, 이 동작처럼 다리를 쭉 펴서 thigh와 shank 사이 각도가 늘어나게 되는 것이 extension입니다. 반대로 다리를 구부리면 thigh, shank 사이 각도가 줄어드니까 flexion이고요. 발목은 조금 헷갈릴 수 있는 게, plantarflexion과 dorsiflexion이라는 이름으로 두 가지 flexion이 있습니다. Dorsiflexion은 발등과 다리 전면 사이 각도, plantarflexion은 발 뒷꿈치와 다리 후면 사이 각도를 늘리기 때문에 그렇게 부릅니다.

혹시 좀 더 상세한 각 근육 및 뼈의 명칭이 궁금한 분들을 위해 appendix로 몇 가지 이미지를 첨부했으니 편하게 살펴보셔도 좋습니다.

Appendix (optional) - 좀 더 자세한 해부학적 지식에 관심있는 분들은 봐주세요~

(좌측) 하체의 골격계 + 전면 근육들의 명칭 (우측) 후면 근육들과 하체 각 부위의 명칭