[Biomehanics of Movement - 1] 인간 움직임의 생체역학과 분석 개요

인간 움직임(Movement)의 생체역학(Biomechanics)

인간 움직임(Movement)의 생체역학(Biomechanics)은 왜 알아야 하고 어떻게 분석하는지에 대해 알아보도록 하겠습니다. 인간의 움직임은 신체가 어떻게 힘을 만들고 활용해서 다양한 동작을 수행할 수 있는지 연구하는 분야입니다. 우리 몸은 약 650개의 근육으로 이루어져 있으며, 이를 통해 걷기, 달리기, 말하기, 눈 움직이기 등 다양한 움직임을 수행할 수 있습니다. 우리가 걷거나 달릴 때 다리 근육은 체중을 지탱하면서 땅을 밀어 앞으로 추진할 수 있는 힘을 생성하고, 점프할 때는 근육은 마치 스프링과 같이 작용하여 높이 뛰게 할 수 있습니다. 이러한 힘은 체중의 약 10배 이상에 도달할 수 있으며, 이는 소형차의 뒷부분을 들어 올릴 수 있는 힘과 같다고 합니다. 이처럼, 우리 몸의 근육과 움직임에는 다양한 역학적인 원리가 적용되며, 이를 분석하는 것이 생체역학입니다. 생체역학을 통해서 단순히 움직임을 분석하는 것뿐만 아니라, 물리학, 생체공학, 물리치료, 운동생리학, 신경과학, 로봇 공학, 컴퓨터 과학 및 스포츠 과학 등 다양한 분야에서도 활용되고 있습니다. 이번 주제는 Thomas K. Uchida & Scott L. Delp의 Biomechanics of Movement를 참고하였습니다. 

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움직임이 만들어지는 원리

오늘은 일반적으로 인간이 움직임을 생성하는 과정과, 운동역학적 요소를 활용한 분석 과정에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

1) 순동역학(Forward dynamic)

 

인간의 움직임은 신경 명령 - 근육 및 힘줄 역학 - 골격의 기하학적 시스템 - 골격 역학 - 시간에 대한 힘과 가속도 적분 - 움직임 - 감각 피드백의 순동역학에 의해 이루어 집니다.

 

Image © 2020 Davide Delp, from Biomechanics of Movement: The Sicence of Sports, Robotics, and Rehabilitaion by Thomas K. Uchida and Scott L. Delp (Cambridge, MA: The MIT Press, 2020). All rights reserved."

 

먼저, 중추 신경계, 즉 뇌와 척수의 신경 명령(Nerual command)으로 시작하여 근육을 활성화합니다. 그다음 근육-힘줄 역학(Muscle-tendon dynamics)을 통해 근육이 수축하고 움직임 즉, 힘을 생성하게 됩니다. 이 힘이 골격의 기하학적 시스템(Musculoskeletal geometry)에 작용하게 되면서 관절에 모멘트(Moments)를 생성하게 되고 골격 역학(skeletal dynamics)을 통해 힘과 가속도(Acceleratons)를 발생시킵니다. 힘과 가속도를 시간에 대해 적분을 하면서 속도(Velocities)와 각도 변화(Angle)가 발생하여 최종적인 움직임(Movement)이 생성이 됩니다. 마지막으로 발생한 움직임은 감각 피드백(Sensory feedback)으로 전달되어 신경 명령을 조절합니다. 

 

이처럼, 우리 몸에는 움직임을 발생시키기 위해 근육, 관절 등에서 힘이 발생하기 때문에 근육의 힘을 추정하고 분석하는 것은 생체역학에서 움직임을 분석하는데 아주 중요한 요소입니다.

 

2) 역동역학(Inverse dynamics)

 

근육의 힘을 추정하기 위한 운동역학적 분석으로는 움직임 측정 - 역기구학 - 시간에 대한 관절 미분 - 역동역학 - 최적화의 역동역학에 의해 진행됩니다. 이 방법은 순동역학의 반대 과정이며, 대표적인 방법으로는 오픈심(Opensim)과 같은 소프트웨어를 활용한 역동역학이 있습니다. 이는 위의 순동역학의 과정과 반대 방향으로 진행됩니다.

 

Image © 2020 David Delp.

 

역동역학은 마커 기반의 모션 캡처 시스템을 통해 인체의 관절 위치 등의 운동 측정 데이터(Measurements)를 확보합니다. 측정된 위치 데이터를 기반으로 역기구학을 활용해(Inverse kinematics) 관절의 각도(Angle)를 계산합니다.

 

역기구학의 쉬운 이해를 위해 아래 재미있는 그림을 가져왔습니다.

주어진 관절 각도로부터 발끝의 위치를 계산하는 과정이 순기구학이라면, 주어진 발끝 위치를 만들기 위한 관절 각도를 계산하는 과정이라고 생각하시면 됩니다. 즉, 어떤 움직임이 있을 때 그 움직임을 구현하기 위한 관절의 각도를 구하는 과정이며, 로봇이나 생체역학 소프트웨어에서는 역기구학을 사용하지 않으면 아래 그림에서 발이 떠있는 현상과 같이 부자연스러운 움직임을 나타냅니다.

게임 애니메이션에서 역기구학(IK) 적용 전과 후

 

그 후 관절 각도를 각 시간에 대해 미분하여 관절이 움직이는 속도(Velocities)와 가속도를 (Accelerations)를 얻습니다. 역동역학(Inverse dynamics) 단계에서 속도 및 가속도 정보와 최초 측정 시 얻은 지면 반발력이나 무게 등 외부힘(External forces)을 바탕으로 관절 모멘트(Moments)를 계산합니다. 마지막으로 최적화(Optimization)를 통해 최적의 근육의 힘을 추정하게 됩니다. 

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최종적으로 근육의 힘을 추정하기 위한 방법들에 대해서 안내드릴 예정이지만, 먼저, 인간의 운동에서 핵심인 걷기와 달리기에 대해 먼저 이야기하면서 시작하도록 하겠습니다.