Recently, researches on effects of additional metatarsophalangeal joint (MTPJ) stiffness on running economy have been conducted and shoes with larger bending stiffness were known to help runners reduce their metabolic cost. However, there are still questions about how stiffened shoes improve running economy and how to find an optimal shoe bending stiffness. In this study, we hypothesized that additional MTPJ stiff-ness could assist run-ner’s propulsion force by its elasticity but too stiff shoes might cause unnatural joint movement and followed overwork at other joints so an optimal shoe bending stiffness could be found by compromising its advantages and disadvantages. Moreover, there were some questions to be answered about what joint was assisted or need-ed to do overwork and whether a level of adaptation to stiffened shoes affect the running economy.
To find the assisting mechanism and the optimal value of the additional MTPJ stiffness, elastic car-bon plate insoles were inserted in running shoes and calculate its contributions in propulsion force. With stiffer shoes, sub-jects could assist runner’s efforts by re-reutilizing the larger elastic energy stored in stiff shoes. However stiffer than a reference MTPJ stiffness, defined as a ratio of each subject’s natural maximal flexion and torque in MTPJ, natural MTPJ flexion disturbed and overwork was occurred. Such overwork was calculated and then compared to the assisting work to find the optimal shoe bending stiffness. To maximize the assisting work and minimize the overwork with stiffened shoes, the reference MTPJ stiffness was suggested as an optimal shoe stiffness and verified by metabolic cost experiments.
To explain what joint was assisted and needed to do overwork, each joint’s effort has to be calculated so an index that could predict the metabolic cost and muscular effort would be necessary. With such a predictor of metabolic cost, optimal shoe bending stiffness could be estimated from a perspective of joint’s effort without respiratory gas analysis. Joint work, which has been used to predict the metabolic cost conventionally, could not estimate if some constraints were imposed on lower limb joints so corresponding joint flex-ion decreased, or if muscles activated during different duration. To consider the effect of constrained joint flexion, the actual joint torque, and its duration, a joint angular impulse was suggested and verified as the mechanical index that could estimate the metabolic cost. Even if there were constraints and reduced flexion in joints, angular impulse could predict the metabolic cost relatively well.
To examine whether the level of adaptation could affect the running dynamics or efficiency, total five weeks of adaptation sessions were conducted. After the adaptation sessions, an assisting ratio of joint torque and angular impulse increased by added joint stiffness, and subjects showed reduced net angular impulse. Adaptation seemed to be performed in a way of reducing the metabolic cost, which was also shown in normal walking and running.
최근 인체 관절을 수동적 강성 요소로 보조하여 대사에너지 소모량을 줄이려는 연구의 흐름에서, 선행연구로부터 운동화 전족부의 굽힘 강성을 증가시킬 경우 대사에너지 소모량이 감소한다는 것과 대사에너지 소모량 측면에서 최적 굽힘 강성이 존재한다는 사실이 알려졌다. 그러나 해당 최적 굽힘 강성을 찾는 방법이 아직 밝혀지지 않았고, 하지 관절의 강성 보조 시 주행 효율 및 주행 전략 변화에 미치는 영향 및 실효성에 있어 논란이 있어 왔다.
본 연구에서는 운동화 전족부에 추가된 굽힘 강성 요소가 탄성에너지를 저장, 재활용 함으로써 주행자의 추진을 돕고 대사에너지 소모량을 감소시킨다는 가설을 수립하였다. 그러나 과도하게 큰 굽힘 강성을 추가하여 발가락 관절 (중족족지관절) 을 보조할 경우 주행자의 자연스러운 관절 운동을 제한함으로써 오히려 주행 효율이 저하된다고 예측하였다.
중족족지관절을 보조하는 굽힘강성의 영향을 관찰하기 위하여 카본을 성형하여 인솔을 제작하여 운동화에 삽입하였다. 강한 굽힘 강성을 추가할수록 운동화가 인체를 보조하는 추진력의 크기는 증가하였으나, 중족족지관절의 최대 굽힘 시 관절 토크와 관절 굽힘각의 비로 정의된 기준 굽힘강성보다 큰 강성을 추가했을 경우, 자연스러운 발가락 관절 굽힘과 추진력이 감소하였다. 감소한 추진력을 만회하기 위하여 다른 관절에서 추가 일이 발생하였으며, 이는 주행 효율이 오히려 저하되는 원인이 되었다.
족부에 굽힘 강성 추가 시 보조되는 관절과 추가 일이 발생하는 관절을 규명하고, 주행 효율 변화를 예측하기 위하여 대사에너지를 나타낼 수 있는 지표가 필요하다. 기존 연구에서는 관절에서의 일을 대사에너지 소모량의 예측 지표로 활용해 왔다. 그러나 운동화에 큰 굽힘 강성을 추가했을 경우 주행자의 관절 토크와 근수축력은 증가하여 더 많은 에너지를 소모하나, 오히려 관절 굽힘각은 감소하게 되어 관절 일은 마찬가지로 감소 추세를 보이는 등 상대적으로 부정확한 대사에너지 소모량 예측 결과를 보인다. 따라서 외부 보조 기구 등에 의하여 착용자의 관절 각이 제한되거나 감소한 경우, 관절 일로부터 대사에너지 소모량을 예측할 때에는 주의가 필요하며, 굽힘 각을 고려하지 않은 관절 토크 혹은 적분 값인 관절 각충격량이 보다 정확한 대사에너지 예측 결과를 나타낸다.
인체 보조 시 적응의 수준이 대사에너지 소모량에 미치는 영향 또한 평가하였다. 총 5주의 적응기간이 지난 뒤 피험자들은 보조되는 족부에서의 근수축력을 유의미하게 감소시켰으며, 전체 하지의 대사에너지 소모량을 감소시키는 방향으로 적응을 진행시켜 효율을 높이고자 하는 적응 전략을 보였다.
본 연구는 인체를 강성 요소 혹은 외부 장치로 보조하여 대사에너지 소모량을 감소시키려는 연구에 활용될 수 있으며, 특히 강성 요소를 추가할 경우 탄성에너지의 저장과 재활용 크기를 최대화 하는 동시에 자연스러운 관절 운동을 방해함으로써 발생하는 추가 일을 최소화하는 방법을 규명하였다는 데 의의가 있다.
