ウォーキングは蹴り出す時機で省エネになる？反対の足の着地との関係を読む

ウォーキングで足首を使うなら、強さだけでなく蹴り出す時機も大切なのか。反対の足が着く前後で補助を変えた実験から、早く蹴れば省エネになるとは限らない理由を読む。足首の仕事、着地の衝突、太ももの筋活動を分け、装置を使う研究と普段の歩き方の間にある距離も確かめる。

散歩の途中、後ろの足が地面を離れる瞬間に目を向ける。後ろの足で地面を押すとき、「早めに蹴れば、次の足の着地が軽くなるのか」と考えたことはあるだろうか。歩行の研究には、その順番を装置で変え、歩くためのエネルギーまで測った実験がある。[6]

答えは、早ければよい、ではない。健康な成人が片脚にロボットの足首を模した装置を着けた実験では、反対の脚が接地する時点か、それより後に蹴り出しの補助が始まる条件で、ばねのように働く装置の条件より代謝率が約10%低かった。接地前に補助を始めた条件には、同じ低下がなかった。[6]

ただし、これは通勤中に蹴る時機を自分で変えれば同じ割合だけ楽になる、という処方ではない。[6] 既存記事「ウォーキングは足首で強く蹴ると楽になる？股関節との分担と消費の違いを読む」に力の分担の話を譲り、ここでは「蹴り出しと反対の足の着地を、どの順番にするか」という時間の問題に絞る。

足首の仕事と、体が使うエネルギーは別に測る

蹴り出しを考える入口は、ふくらはぎを強く使った感じではなく、何を測ったかである。足首の機械的な仕事とは、足首の運動を通じて出入りする力学的なエネルギーを指す。一方、代謝の指標は、歩行を支えるために体が使うエネルギーの側を見ている。蹴り出しの仕事を一定にしても代謝率が変わった実験は、両者を同じものとして扱えないことを示す。[6]

この区別は、足首のパワーという言葉にも必要だ。パワーは、仕事をどれほどの速さで行うかを表す。山の頂点に当たる最大値と、蹴り出し全体を通した仕事量とは、別の指標である。時機の実験では、装置の力の大きさを調整し、正味の正の仕事、つまり装置が差し引きで供給する仕事を一定に保った。単に補助を増やした場合と、補助の開始をずらした場合を切り分ける設計である。[6]

たとえば「同じだけ押した」という日常の言葉には、最大の力が同じ、押した時間が同じ、供給した仕事が同じ、という異なる意味が入り込む。研究で一定にしたのは、これらを全部まとめた感覚ではない。仕事をそろえて開始時機を変えたからこそ、エネルギー消費の差を、仕事量の増減だけでは説明できなくなった。[6]

歩き方を試すときも、ふくらはぎが頑張った感覚だけで省エネを採点しないほうがよい。この実験では、早い補助の条件で太ももの筋活動も増えていた。足首付近で起きた変更が、足首の外側の負担と一緒に現れているからだ。[6] 靴の中だけを見ているつもりでも、体は脚全体で帳尻を合わせる。

「着地前に押せば衝突が減る」という予測

歩行では、後ろ側の脚から前側の脚へと支えが移る。その切り替えで体の重心、すなわち体全体の質量を代表する点の動きが変わる。単純化した歩行モデルは、前側の脚が着く前に後ろ側から押し出せば、重心の進み方を先回りして変え、切り替えに必要な仕事を減らせると予測した。[6]

ここでいう着地の「衝突」は、足音の大きさだけを指す言葉ではない。前側の脚が受け止める過程で、重心に対して行われる負の仕事に関わる力学の話である。時機を変える実験は、反対側の脚による重心の衝突仕事も測定し、モデルが想定した仕組みが人でも起きるかを確かめた。[6]

予測の筋道は魅力的である。着いてから押し直すより、着く前に準備したほうが無駄が少なそうに見える。しかし、筋肉を持つ人が片脚の装置と一緒に歩く場面では、単純なモデルの予測を実験で確かめる必要がある。実際、補助の時機を変えても、装置を着けていない側の脚の衝突仕事には影響がなかった。[6]

つまり、この実験の省エネを「早く蹴ったので着地の衝突が小さくなった」と説明すると、測定結果から外れる。代謝率が下がった条件は接地時点以降であり、衝突仕事の変化がその低下を説明したわけでもない。[6] 分かりやすい物語と、測った結果は分けて残しておく必要がある。

これはモデルに価値がないという意味ではない。モデルは、どこを測れば予測を試せるかを明確にする。この場合は、蹴り出す時機、重心に対する仕事、筋活動、代謝率を並べたことで、直感では見落とす食い違いが見えた。[6] 「着地が軽い気がした」という感想だけなら、食い違いは隠れたままである。

同じ仕事量でも、補助を早めると楽にならなかった

中心となるのは、健康な参加者10人を対象にした、装置の条件を変える実験である。片脚には硬いブーツ型のアダプターを介して足首・足部の義足を模した装置を着け、トレッドミルを秒速1.25mで歩いた。下腿切断のある人を直接調べた試験ではなく、装置を介して時機の影響を切り分けた研究である。18〜39歳の女性が装置なしで歩く場合に、同じ時機が有利かは別に検証する必要がある。[6]

装置が力を加え始める時点は、歩行周期の46〜56%の範囲で変えた。歩行周期は、歩行の繰り返しを基準に動作の時点を位置づけるための尺度である。各条件では装置が供給する正味の正の仕事が一定になるよう、トルク、すなわち足首を回そうとする力の大きさを繰り返し調整した。[6]

比較の相手にも注意したい。約10%低かったという数値は、裸の足首で普段どおり歩く場合との差ではなく、装置がばねのように働く条件との差である。仕事を供給する装置の補助を、いつ始めるかという問いへの結果であって、一般のウォーキングの消費量を一律に減らす数字ではない。[6]

補助を反対側の脚の接地前に始めると、装置側の内側広筋と大腿二頭筋の活動が増えた。前者は太ももの前側、後者は後ろ側にある筋肉だ。また、歩幅のばらつきと、蹴り出すときの装置への荷重のばらつきも増えた。足首で助けるはずの操作と、太ももの追加の活動が同時に起きていたのである。[6]

研究者は、この筋活動と動作のばらつきの増加が、早すぎる補助で代謝率が下がらなかった理由と考えている。筋活動の増加と代謝率が下がらなかったことは同時に観察されたが、それだけで因果関係まで確定しない。直接測った結果は筋活動と代謝率の変化であり、両者をつなぐ仕組みは研究者の解釈である。[6]

また、よかった時機を「接地の直後」という単独の合図だけに縮めないことも大切である。参加者は装置を着け、速度が決まった歩行を行っていた。その条件で接地時点以降が有利だったという知見は、装置の制御設計には具体的な手掛かりになる。一方、普段の歩行にそのまま使える練習の合図を検証したものではない。[6]

この比較を読むうえで、片側だけを補助した点も見逃せない。両側に同じ装置を着ける場合と違い、補助される脚と、反対側で受け止める脚は同じ条件ではない。研究は片側の装置で時機を独立に変えることを目的としており、早い補助がよいという先行するモデルの発想を、そのまま当てはめずに試した。[6]

また、測定する対象が複数あるからこそ、「効いた」の意味を細かくできる。代謝率が低いこと、衝突仕事が小さいこと、太ももの筋活動が少ないこと、歩幅がそろうことは、それぞれ異なる結果である。この実験では、指標ごとに結果が分かれた。代謝率には時機による違いがあり、反対側の衝突仕事には違いがなかったという組み合わせが、結果の核心になる。[6]

駅へ向かう道で足音が静かになったとしても、その感覚から重心の衝突仕事が減ったとは決められない。ここで調べた衝突仕事は、研究の測定で扱う力学的な量である。[6] 体験としての「静か」「軽い」を大切にすることと、実験の測定値と同一視することは別である。歩き方を言葉にするときには、感じたことを感じたことのまま残すほうが正確だ。

約10%という結果にも、大小だけでなく比較の形が含まれている。接地時点以降の条件とばね様の条件の差であり、早い条件から遅い条件へ移る全員に同じ差が出る、という個別の保証ではない。[6] 装置の調整を考える人には有用な差でも、歩く人が再現するための練習方法は、この比較からは決められない。測定された条件を添えるのは、数字の面白さを弱めるためではなく、何が面白かったのかを正確に伝えるためである。

数字で読む蹴り出しの時機

10人：片脚の装置で補助の開始時機を調べた、健康な参加者の人数。[6]

秒速1.25m：時機を比較した実験のトレッドミル速度。[6]

歩行周期の46〜56%：装置が力を加え始める時点を変えた範囲。[6]

約10%：接地時点以降に補助を始めた条件で、ばね様の条件に比べて低かった代謝率。[6]

7.4%：別の若年成人の実験で、片側の足首を固定した条件の代謝パワーの増加。[11]

11研究：加齢と足首周辺の筋・腱、歩行との関係を調べた系統的レビューとメタ分析の採用数。[15]

宮川涼 Founder

See Full Bio