人体も含めて「モーション」を起こすためには、力・回転モーメントが必要となります。
力と回転モーメントの違いは、直線運動を起こすものなのか？それとも円運動を起こすものなのか？というところにあります。
もちろん、力や回転モーメントは、必ずしも「モーション」を起こすとも限りません。
良い例は、冷蔵庫を少し押したところで動かないことがあげられます。あるいは綱引きで力が拮抗していたら、両サイドが大きな力で引っ張られているにも関わらず、動きはあまりありません。
これらを表す数式は、以下の通りです。
F = m.a
T = I.α
左辺と右辺を精査すると、a = F/m α= T/I となります。
aとαは加速度となり、それぞれ単位はm/s2 、°/s2となり、一秒間にどの位、速度変化が起こるかを表します。
これを歩行中の膝関節炎に限定して考えた時に、「パワー吸収」という概念が大切になります。
足が地面に着地した際の衝撃をいかに吸収できるかは、ひとつにパワー吸収の概念があり、伸張性収縮によって、これを促進させることができます。
伸張性収縮は、この場合大腿四頭筋や前脛骨筋（あるいは脹脛も）に起こりやすく、足着地後の体全体が下方向へ移動するモーションを減速させ、止めるまでを表します。
例えば、大腿四頭筋の収縮は、基本的に膝を伸ばす作用がありますが、足着地直後は、大腿四頭筋は使われているにも関わらず、膝は曲がります。
しかし、もし仮に大腿四頭筋が全く使われなかったら、そのまま体は下方向へ落ちていきます。
このように筋肉が元来作用させるモーションと逆の動きをしているが、減速に役立っている状態を、伸張性収縮と言い、パワーが吸収され、これは負の仕事として表されます。
このパワー吸収を効果的に行うことで、足着地時の衝撃を吸収するのに役立つと考えられています。
もう一つの衝撃吸収の考え方は、エナジェティクス（Energetics）となります。
これは、衝撃をエネルギーと捉え、様々な形に変換させることで、下肢関節にダメージを与える振動を削減するという考え方です。
エネルギー保存の法則で言われている通り、エネルギーは増えたり減ったりするのではなく、形を変えていくことになります。
そして衝撃をエネルギーのインプットと捉えた場合、足の着地時の衝撃をつま先の蹴り出しに再利用できるエネルギー効率を最大限に高めることで、下肢関節への負担を軽減することが可能となります。
エネルギー吸収と再利用は、様々な方法で可能ですが、例えばアキレス腱にはこの役割があると考えられています。
つまり、足着地時に足首が背屈状態になっていれば、アキレス腱に衝撃を弾性のエネルギーとして蓄えることができ、つま先離地の際に底屈と同時に溜めておいた弾性エネルギーをリリースします。
これにより、自発的に蹴り出さなくとも、足を前に進めやすくなり、このようにエネルギー効率の高い足首の動きを使う、「つまり、衝撃をエネルギーとして吸収して足の蹴り出しに再利用する」ことが、理想的な歩行に繋がります。
歩行による衝撃は、そこまで強度が高いものではありませんが、そうしたエネルギー吸収をアキレス腱のみで行うと、それ自体が怪我に繋がる可能性も否定できないため、過剰にやらないように注意が必要です。
また、こうしたメカニズムを促進させるような履物を利用することで、人体への負担を軽減して、エネルギー効率の高い歩行が可能となります。
これは開発しがいのあるアイデアですが、バネを利用して衝撃を吸収させ、つま先離地で利用させるという仕組みを靴に搭載すると面白いと思います。
ただ、ここで非常に難しいのがどのようにバネを使うのか？ということと、再利用するエネルギーの位置です。
特に、位置に関してはこれを間違えてしまうと、足を痛める原因となり、最悪壊死→切断 に繋がる可能性もあります。こうした理由から、最新の注意を払った、バイオメカニクスに基づく研究開発が重要となります。
