걸음걸이
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1. 개요
걸음걸이는 동물이 이동할 때 사용하는 다리의 움직임 패턴을 의미하며, 밀턴 힐데브란트에 의해 과학적으로 분류되었다. 걸음걸이는 대칭과 비대칭으로 나뉘며, 듀티 팩터와 앞다리-뒷다리 위상 관계가 주요 변수로 작용한다. 듀티 팩터가 50%를 초과하면 걷기, 미만이면 달리기로 분류한다. 걸음걸이는 환기에 영향을 미치며, 종에 따라 다양한 형태를 보인다. 에너지 기반 분류에 따르면 걷기는 역진자, 달리기는 스프링-질량 모델로 묘사되며, 각 보행에는 에너지 효율적인 최적의 속도가 존재한다. 한국어에는 팔자걸음, 안짱걸음 등 걸음걸이를 묘사하는 다양한 표현이 있다.
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| 걸음걸이 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
| 정의 | 동물 움직임의 패턴 |
| 관련 용어 | 보행 주기, 발자국 패턴, 걷기, 달리기, 도약 |
| 유형 | |
| 대칭 걸음걸이 | 걷기 달리기 질주 트로트 속보 말의 스텝 랙 |
| 비대칭 걸음걸이 | 갤럽 (구보) 도약 론지 깡총 뛰기 |
| 기타 걸음걸이 | 뛰어다니기 미끄러지기 수영 비행 |
| 보행 분석 | |
| 측정 변수 | 보폭 스트라이드 지지 시간 비행 시간 걸음 속도 |
2. 걸음걸이의 정의 및 분류
밀턴 힐데브랜드는 걸음걸이에 대한 현대 과학적 분석과 분류의 기초를 마련한 인물이다. 걸음걸이를 분석할 때 각 다리의 움직임은 발이 땅에 닿아 있는 지지기(stance phase)와 발이 공중에 떠서 앞으로 나아가는 유각기(swing phase)로 구분된다.[1][2] 안정적인 걸음걸이 패턴이 나타나려면, 각 다리는 동일한 시간 안에 한 주기의 움직임을 완료해야 한다. 만약 그렇지 않으면 다리 간의 상대적 위치 관계가 계속 변하게 되어 일정한 패턴을 유지하기 어렵다. 따라서 모든 보행은 일반적으로 왼쪽 뒷다리를 기준으로 하여, 나머지 세 다리의 지지기가 시작되고 끝나는 시점을 통해 완전히 설명될 수 있다.
걸음걸이는 사지(四肢)의 움직임 패턴에 따라 크게 대칭 보행과 비대칭 보행으로 분류할 수 있다. 또한, 걸음걸이를 정량적으로 분석하기 위해 듀티 팩터(duty factor, 특정 발이 지면에 닿아 있는 시간 비율)와 앞다리-뒷다리 위상 관계(같은 쪽 앞다리와 뒷다리 움직임의 시간차)와 같은 주요 변수들이 사용된다.
2. 1. 대칭 보행과 비대칭 보행
보행은 일반적으로 사지 움직임을 기준으로 "대칭 보행"과 "비대칭 보행"으로 분류된다. 이 용어는 동물의 신체적 좌우 대칭과는 관련이 없다. 대칭 보행에서는 한 쌍의 왼쪽과 오른쪽 사지가 교대로 움직이는 반면, 비대칭 보행에서는 사지가 함께 움직인다. 비대칭 보행은 때때로 정지 단계가 존재하기 때문에 "도약 보행"이라고도 불린다.
보행의 주요 변수는 듀티 팩터(duty factor)와 앞다리-뒷다리 위상 관계이다. 듀티 팩터는 특정 발이 전체 보행 주기 중 지면에 닿아 있는 시간의 비율(백분율)이다. 이 값은 동물이 특별히 훈련된 보행으로 움직이거나 가속 또는 감속하는 경우가 아니면 일반적으로 앞다리와 뒷다리에서 동일하다. 듀티 팩터가 50%를 초과하면 "걷기"로 간주되고, 50% 미만은 "달리기"로 간주된다. 앞다리-뒷다리 위상은 같은 쪽 앞다리와 뒷다리 사이의 시간적 관계를 의미한다. 만약 같은 쪽 앞다리와 뒷다리가 동시에 땅을 딛는 단계를 시작하면 위상은 0%(또는 100%)이다. 만약 같은 쪽 앞다리가 뒷다리보다 주기의 절반만큼 늦게 지면에 닿으면 위상은 50%이다.
2. 2. 걷기와 달리기
보행의 주요 변수 중 하나는 듀티 팩터(duty factor)이다. 듀티 팩터는 주어진 발이 전체 보행 주기 중 지면에 닿아 있는 시간의 비율을 백분율로 나타낸 값이다. 동물이 특별히 훈련된 보행으로 움직이거나 가속 또는 감속하는 경우가 아니라면, 이 값은 일반적으로 앞다리와 뒷다리에서 동일하게 나타난다.
듀티 팩터를 기준으로 걸음걸이를 걷기와 달리기로 구분할 수 있다. 듀티 팩터가 50%를 초과하면, 즉 발이 땅에 닿아 있는 시간이 전체 주기의 절반 이상이면 "걷기"로 간주된다. 반대로 듀티 팩터가 50% 미만이면, 즉 발이 땅에 닿아 있는 시간이 전체 주기의 절반 미만이면 "달리기"로 분류된다.
3. 걸음걸이의 생리학적 영향
걸음걸이의 선택은 단순히 팔다리의 움직임과 속도 변화뿐만 아니라, 특히 환기와 같은 생리적 과정에도 영향을 미칠 수 있다. 가로막이 없는 도마뱀이나 도롱뇽 같은 동물들은 숨을 쉬기 위해 몸통 벽 근육을 사용하는데, 이 근육은 이동할 때 몸을 좌우로 흔드는 데에도 사용된다. 따라서 이들은 움직이는 동시에 숨을 쉬는 것이 어려운데, 이를 캐리어의 제약이라고 부른다. 하지만 왕도마뱀과 같은 일부 동물은 구강 펌핑이라는 방법을 사용하여 이러한 제약을 극복하기도 한다. 반면, 포유류가 질주할 때는 척추를 굽혔다 펴는 움직임이 복부의 내장을 마치 피스톤처럼 움직이게 한다. 이 과정에서 폐가 팽창하고 수축하면서 환기량이 증가하고, 더 많은 산소 교환이 가능해진다.
4. 종에 따른 걸음걸이 차이
동물은 일반적으로 속도에 따라 다른 보행 방식을 사용한다. 거의 모든 동물은 대칭적인 걸음걸이가 가능하지만, 비대칭적인 걸음걸이는 주로 포유류에게서 나타난다. 이는 포유류가 보폭을 늘릴 수 있을 만큼 척추를 유연하게 구부릴 수 있기 때문이다. 다만, 작은 악어 종류는 예외적으로 바운딩(튀어 오르듯 움직이는) 보행을 할 수 있다.
포유류에게 가장 흔한 걸음걸이는 걷기와 달리기의 측면 시퀀스 보행이다.[3] 하지만 원숭이, 일부 주머니쥐, 킨카주와 같이 나무 위에서 생활하는 포유류는 안정성을 높이기 위해 대각선 시퀀스 보행을 사용하기도 한다.[3]
도롱뇽이나 도마뱀처럼 몸을 바닥에 대고 엎드려 걷는 사족 보행 동물들은 주로 대각선 시퀀스 보행이나 달리기(트로트) 방식을 사용한다. 이는 움직일 때 몸이 좌우로 흔들리는 특징 때문이다.
이족 보행은 독특한 경우로, 대부분의 이족 보행 동물은 평소 이동할 때 걷기, 달리기, 뛰기의 세 가지 기본적인 보행 방식만을 사용한다. 인간의 스키핑(깡충 뛰며 걷기)과 같은 다른 형태의 보행은 특별히 의식적인 노력을 기울이지 않으면 잘 나타나지 않는다.
4. 1. 육각 보행 (곤충)
육각 보행은 곤충 연구에서 중요한 주제이며, 특히 초파리와 대벌레(Phasmatodea)에서 그 특징이 잘 연구되었다.
초파리는 기본적으로 세 다리가 땅을 딛고 나머지 세 다리는 앞으로 내딛는 삼각 보행 방식을 사용한다.[3] 하지만 초파리의 걸음걸이는 속도에 따라 달라지는 유연성을 보인다. 명확하게 보행 방식을 바꾸는 것은 아니지만, 빠르게 움직일 때는 주로 삼각 보행을 사용하고, 느리게 움직일 때는 네 개 또는 다섯 개의 다리로 몸을 지탱하며 걷는 경향이 있다.[4] 네 개의 다리로 지지하는 사족 보행 조정 방식에서는 대각선 방향의 다리들이 함께 움직인다. 또한, 한 번에 한 다리만 움직이는 파동(메타크로날 파동이라고도 함) 방식도 관찰되는데, 이는 다리의 움직임이 몸의 한쪽 면 뒤에서 앞으로 물결처럼 전달되고, 이후 반대편으로 이어지는 형태이다.
몸집이 더 큰 대벌레의 경우, 유충 시기에는 삼각 보행을 하지만, 성체가 되면 다른 보행 방식을 보인다. 성체 대벌레는 느리게 걸을 때 주로 한 번에 한 다리씩 움직이는 메타크로날 파동 방식을 사용한다. 반면 빠르게 움직일 때는 두 다리를 한 쌍으로 움직이거나, 메타크로날 파동과 사족 보행 조정을 결합하여 한 번에 한 다리씩 움직이는 방식을 사용한다.[5]
5. 에너지 기반 걸음걸이 분류
걸음걸이는 발의 착지 형태로 분류할 수도 있지만, 전신 운동역학 및 힘판 기록을 이용한 연구를 통해 운동의 역학을 기반으로 한 새로운 분류 체계가 제시되었다. 이 체계에 따르면 움직임은 크게 걷기와 달리기로 나뉜다.
걷기는 다리 위로 몸이 "도약"하는 듯한 움직임을 특징으로 하며, 운동 에너지와 위치 에너지의 변화가 서로 반대 위상을 가지는 역진자 모델로 자주 설명된다. 이는 조반니 카바냐가 설명한 메커니즘이다.
반면 달리기에서는 운동 에너지와 위치 에너지가 같은 위상으로 변화한다. 이때 에너지 변화는 근육, 뼈, 힘줄, 인대 등이 마치 스프링처럼 작용하여 저장되고 방출되는 방식으로 이루어진다. 따라서 달리기는 스프링-질량 모델로 묘사된다.
6. 걸음걸이와 에너지 효율
속도는 일반적으로 동물이 어떤 보행 방식을 선택할지 결정하는 중요한 요소이다. 예를 들어, 사족보행 포유류는 속도가 빨라짐에 따라 걷기에서 뛰기, 그리고 질주로 보행 방식을 바꾼다. 각각의 보행 방식에는 에너지를 가장 효율적으로 사용할 수 있는 최적의 속도가 존재한다. 이 최적 속도에서는 단위 거리당 소모되는 칼로리가 가장 적으며, 이보다 느리거나 빠른 속도에서는 에너지 소모량이 늘어난다. 보행 방식이 바뀌는 시점은 보통 빠른 걸음의 에너지 소모량이 느린 뛰기의 에너지 소모량보다 커지는 속도 근처에서 일어난다. 특별한 제약이 없는 경우, 동물은 일반적으로 에너지 소비를 최소화하기 위해 각 보행 방식에 가장 적합한 속도로 움직이는 경향이 있다. 서로 다른 보행 방식이나 다른 동물들의 보행 에너지 소비를 비교하기 위해서는 수송 비용이라는 개념이 사용된다.
7. 비사지동물의 걸음걸이
육상 척추동물의 경우, 다리가 2개, 4개, 6개 또는 그 이상으로 다양하지만, 걷기는 역진자 모델, 달리기는 스프링-질량 모델을 따른다는 점에서 공통점을 보인다. 즉, 다리 수에 관계없이 '걸음'과 '달림'이라는 기본적인 이동 방식이 나타난다.
'걸음걸이'라는 용어는 단순히 다리를 이용한 이동뿐만 아니라, 비행이나 수영을 하는 동물들에게도 적용된다. 이들 동물은 각기 독특한 와류 패턴을 만들어내며 이동하는데, 이러한 고유한 움직임 패턴 역시 걸음걸이의 일종으로 간주된다.
8. 한국의 걸음걸이 관련 표현
한국어에는 걸음걸이와 관련된 다양한 표현이 존재한다.
8. 1. 다양한 걸음걸이 표현
wikitext| 걸음걸이 종류 | 설명 |
|---|---|
| 팔자걸음 | 발을 바깥쪽 대각선 방향으로 돌린 채 걷는 걸음 |
| 안짱걸음/안짱다리 | 발을 안쪽 대각선 방향으로 돌린 채 걷는 걸음 |
| 모걸음 | 옆으로 걷는 걸음 |
| 만지걸음 | 두 발을 자주 떼어놓으며 걷는 걸음 |
| 울력걸음 | 여러 사람이 떨쳐나서는 데 덩달아 끼어서 함께 걷는 걸음 |
| 웨죽걸음 | 팔을 훠훠 내저으며 느릿느릿 걷는 걸음 |
| 물레걸음 | 천천히 바퀴를 돌려서 뒷걸음질 치는 걸음 |
참조
[1]
논문
The Quadrupedal Gaits of Vertebrates: The timing of leg movements relates to balance, body shape, agility, speed, and energy expenditure
1989-12-01
[2]
서적
Volume 2: Automotive Systems; Bioengineering and Biomedical Technology; Computational Mechanics; Controls; Dynamical Systems
[3]
논문
Coordination of legs during straight walking and turning in Drosophila melanogaster
1990-08
[4]
논문
Drosophila
2019-06
[5]
논문
The comparative investigation of the stick insect and cockroach models in study of animal locomotion
2015
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