The Foot’s Arch and the Energetics of Human Locomotion

Stearne, S. M., McDonald, K. A., Alderson, J. A., North, I., Oxnard, C. E., & Rubenson, J. (2016).

Scientific Reports, 6(1), 19403.

弾性エネルギーの吸収と放出にはアーチの働きが重要

機械的仕事の17％は縦アーチ

Abstract

The energy-sparing spring theory of the foot’s arch has become central to interpretations of the foot’s mechanical function and evolution. Using a novel insole technique that restricted compression of the foot’s longitudinal arch, this study provides the first direct evidence that arch compression/recoil during locomotion contributes to lowering energy cost. Restricting arch compression near maximally (~80%) during moderate-speed (2.7 ms−1) level running increased metabolic cost by + 6.0% (p < 0.001, d = 0.67; unaffected by foot strike technique). A simple model shows that the metabolic energy saved by the arch is largely explained by the passive-elastic work it supplies that would otherwise be done by active muscle. Both experimental and model data confirm that it is the end-range of arch compression that dictates the energy-saving role of the arch. Restricting arch compression had no effect on the cost of walking or incline running (3°), commensurate with the smaller role of passive-elastic mechanics in these gaits. These findings substantiate the elastic energy-saving role of the longitudinal arch during running, and suggest that arch supports used in some footwear and orthotics may increase the cost of running.

足の土踏まずのエネルギーを節約する弦理論は、足の機械的機能と進化の解釈の中心になっています。この研究は、足の縦アーチの圧縮を制限する新しいインソール技術を使用して、運動中のアーチの圧縮/反動がエネルギーコストの削減に寄与するという最初の直接的な証拠を提供します。中速（2.7 ms-1）レベルのランニング中にアーチの圧迫を最大（〜80％）近くに制限すると、代謝コストが+ 6.0％増加しました（p <0.001、d = 0.67;フットストライクテクニックの影響を受けません）。単純なモデルは、アーチによって節約された代謝エネルギーが、そうでなければアクティブな筋肉によって行われるであろう、アーチが供給する受動的弾性の仕事によって主に説明されることを示しています。実験データとモデルデータの両方で、アーチのエネルギー節約の役割を決定するのはアーチ圧縮の最終範囲であることが確認されています。アーチの圧迫を制限しても、歩行や傾斜走行のコスト（3°）には影響しませんでした。これは、これらの歩行における受動弾性力学の役割が小さいことに対応しています。これらの調査結果は、ランニング中の縦アーチの弾性エネルギー節約の役割を実証し、一部の履物や装具で使用されるアーチサポートがランニングのコストを増加させる可能性があることを示唆しています。