지구상에서 가장 빠른 동물은 치타로 최고 속도는 시속 104km이다. 물 속에서 가장 빠른 동물은 황다랑어와 와후로, 각각 시속 75km와 77km의 속도에 도달할 수 있습니다. 공중에서 가장 빠른 수준의 비행(다이빙 제외) 타이틀은 시속 112km 이상의 속도로 흰목새에게 돌아갑니다.
이 빠른 생물들은 모두 공통점이 무엇입니까? 그들 중 어느 것도 그들이 대표하는 동물 그룹에 비해 특별히 크거나 작지 않습니다. 실제로는 모두 중간 크기입니다.
그 이유는 일종의 미스터리입니다. 동물의 수가 증가함에 따라 많은 생물학적 특성도 변합니다. 예를 들어 일반적으로 다리 길이는 꾸준히 증가합니다. 그러나 분명히 긴 다리는 답이 아닙니다. 왜냐하면 코끼리와 같은 가장 큰 육상 동물은 가장 빠르지 않기 때문입니다.
그러나 나와 동료들은 이 문제를 해결하기 위한 근본적인 조치를 취했습니다. 확장 가능한 인체 가상 모델을 사용하여 우리는 팔다리와 근육의 움직임을 탐색하고 속도를 제한하는 요소가 무엇인지 알아보고 수천 년에 걸친 인간 형태의 진화에 대한 중요한 통찰력을 얻을 수 있었습니다.
쥐만한 크기의 인간부터 거인까지
2000년대 초반부터 과학자들은 모든 뼈, 근육, 힘줄을 갖춘 인체의 무료 가상 모델인 OpenSim을 구축해 왔습니다.
이 모델은 인간의 움직임을 이해하고, 운동 과학을 탐구하고, 연조직에 대한 수술의 효과를 모델링하는 데 도움이 되는 수많은 과학 연구에 사용되었습니다.
2019년 벨기에 연구자 그룹은 여기서 한 단계 더 나아가 OpenSim을 사용하여 물리 기반 시뮬레이션을 구축했습니다. 모델에게 움직이는 방법을 알려주는 대신 특정 속도로 앞으로 나아가도록 요청했습니다. 그런 다음 모델은 지정된 속도로 걷거나 뛸 수 있으려면 어떤 근육 그룹을 활성화해야 하는지 파악했습니다.
하지만 이것을 더 발전시켜 모델을 마우스 크기로 축소하면 어떻게 될까요? 아니면 모델을 코끼리 크기로 확장하면 어떻게 될까요? 그런 다음 어떤 모델이 작동할 수 있는지, 어떤 속도로 작동하는지 확인할 수 있습니다.
그리고 그것이 바로 우리 팀이 한 일입니다. 우리는 표준 인간 모델(75kg)을 가져와 최대 100g까지 점점 더 작은 모델을 만들었습니다. 또한 모델을 최대 2,000kg까지 더 크게 만들고 최대한 빨리 달리도록 도전했습니다.
질량을 올바르게 잡아라
우리가 이 일을 했을 때 많은 놀라운 일들이 일어났습니다.
첫째, 2000kg 모델은 움직일 수 없습니다. 1000kg 모델도 마찬가지다. 실제로 움직일 수 있는 가장 큰 모형은 900kg으로 인간 형태의 상한선을 나타냈다. 이 크기를 넘어서 이동하려면 모양을 변경해야 합니다.
우리는 또한 가장 빠른 모델이 가장 크지도 작지도 않다는 것을 발견했습니다. 대신 무게는 약 47kg으로 중형 치타와 비슷한 무게였다. 더 중요한 것은 내부를 살펴보고 왜 이런 일이 발생하는지 확인할 수 있다는 것입니다.
최대주행속도의 모양을 질량으로 설명하는 곡선은 최대지반력을 질량으로 설명하는 곡선과 모양이 동일하다. 이것은 의미가 있습니다. 더 빨리 움직이려면 땅에서 더 세게 밀어야 합니다.
그렇다면 왜 더 큰 모델이 땅에서 더 세게 밀 수 없는 걸까요? 더 큰 모델은 근육으로 인해 제한되는 것으로 보입니다.
힘을 생성하는 근육의 능력은 해당 근육의 단면적에 따라 달라집니다. 동물의 크기가 증가함에 따라 근육량은 단면적보다 빠르게 커집니다.
이것은 더 큰 동물이 상대적으로 약한 근육을 가지고 있음을 의미합니다. 근육은 최대 속도 이상으로 “최대한으로 나가기” 시작하므로 형태가 느려져야 합니다.
스펙트럼의 반대쪽 끝에서는 미니어처 모델의 근육이 상대적으로 강하지만 중력 문제가 있습니다. 매우 가볍습니다. 그들은 큰 힘을 내기 위해 땅을 밀어내려고 하지만 이로 인해 몸이 너무 일찍 땅에서 떨어지게 됩니다.
땅에 더 많은 힘을 가하기 위해 그들은 쥐나 고양이처럼 팔다리를 땅에 앉힙니다. 이를 통해 서있는 자세에서 점프할 때와 마찬가지로 더 오랫동안 땅에 머물 수 있으므로 더 많은 힘을 생성할 수 있습니다. 하지만 시간이 걸립니다. 힘을 생성하는 데 시간이 오래 걸릴수록 보폭은 느려지고 더 빨리 달릴 수 없게 됩니다.
따라서 지면력과 보폭 주파수 사이의 균형이 시작되고 질량이 딱 맞는 중간 볼륨에 도달할 때까지 끝나지 않습니다.
크리스토퍼 클레멘테 등.
우리는 그것을 받자마자
이 모든 것이 인간 진화에 대해 무엇을 말해 줄 수 있습니까?
우리는 역사를 통해 현생 인류와 멸종된 인류 종(“호미닌”으로 알려진 집단 집단)의 크기가 약 30kg에서 30kg까지 매우 다양하다는 것을 알고 있습니다. 오스트랄로피테쿠스 아파렌시스 약 350만년 전부터 약 80kg에 이르렀습니다. 호모 에렉투스거의 2백만년 전.
따라서 전반적으로 우리 몸의 질량은 증가하는 경향이 있고 아마도 우리의 달리기 속도도 증가할 것입니다. 호모 날레디약 30만년 전에 존재했으며 무게는 약 37kg이었습니다. 호모 플로레시엔시스약 50,000년의 역사를 갖고 있으며 무게가 약 27kg에 달하는 는 작은 크기 때문에 속도를 어느 정도 희생해야 했을 것입니다.
현대 성인의 평균 체중은 약 62kg으로 우리 모델의 최대 체중인 47kg보다 약간 무겁지만 여전히 이상적인 크기에 가깝습니다.
흥미롭게도 엘리우드 킵초게(Eliud Kipchoge)와 같은 가장 빠른 장거리 주자들 중 상당수의 몸무게는 약 50kg입니다.
따라서 우리의 새로운 연구를 바탕으로 우리는 이제 오늘날의 인간이 근육 형태에 큰 변화 없이도 우리가 얻을 수 있는 것만큼 빠르다는 것을 알고 있습니다.
