Research press release

生体力学:二足歩行のために作られたヒトの足

Nature

Biomechanics: How human feet are made for walking

ヒトの足に備わった2つの独特なアーチによって二足歩行と二足走行が可能になったという結論を示した論文が、今週Nature に掲載される。この新知見は、ヒトの足の進化を解明するための新たな手掛かりであり、ロボットの足の設計を改良するためにも役立つ可能性がある。

ヒトの足は、剛性が高く、アーチを備えているが、これらの特徴は、効率的な直立歩行に必須である。これに対して、他の霊長類(チンパンジー、ゴリラ、マカクなど)は、比較的柔軟性の高い扁平な足を持っている。ヒトの足の構造から高い剛性がどのように生じるのか、という点について研究者は議論を重ねてきた。先行研究の大部分は、踵から母指球に至る足部内側縦アーチ(MLA)に着目していたが、足を横断する足根横アーチ(TTA)の役割を検討していなかった。

今回、Madhusudhan Venkadesanたちの研究チームは、足の剛性がTTAによって生じているのかどうかを調べるため、ヒトの足について曲げ試験を行った。その結果、TTAが足の剛性の40%以上に関係していることが明らかになった。紙を横方向に折りたたむと、縦の剛性が高くなるように、TTAが足において同じような役割を果たしていると考えられるのだ。

また、Venkadesanたちは、絶滅したヒト族種を含む霊長類全体におけるTTAの進化についても調べた。その結果、MLAとTTAが完全に発達しているのはホモ属だけであることが分かった。この知見は、2つの隣接したアーチの組み合わせによって足の縦方向の剛性が生み出されていることを示唆している。さらに、ヒトの足の進化には、いくつかの段階があり、それによって効率的な歩行と走行が可能になったことも分かった。

同時掲載のNews & Views論文(Glen Lichtwark、Luke Kelly共著)では、これと同じ機構を直接応用して、ヒトの足を模倣することを目指す義肢や脚付きロボットの設計を改良できる可能性が指摘されている。

Human feet have evolved two unique arches that enable us to walk and run on two legs, according to research published online in Nature. The findings provide an insight into the evolution of human feet and may help to improve the design of robotic feet.

Humans have evolved stiff, arched feet that are essential for effective upright walking, unlike other primates, such as chimpanzees, gorillas and macaques, which have relatively flexible, flat feet. Researchers have debated how the structure of the human foot creates stiffness; most studies have focused on the medial longitudinal arch (MLA), which runs from the heel to the ball of the foot, but have not considered a role for the transverse tarsal arch (TTA), which runs across the foot.

To investigate whether the TTA creates stiffness, Madhusudhan Venkadesan and colleagues performed bending tests on human feet. Results showed that the TTA is responsible for more than 40% of foot stiffness. Just as bending a sheet of paper parallel to the width stiffens it lengthways, the TTA may have a similar role in feet.

The authors also examined the evolution of the TTA across primates, including extinct hominin species. They found that only the genus Homo had fully developed MLA and TTA. These findings suggest that the combination of the two adjacent arches produces stiffness along the length of the foot. Furthermore, there were several stages in the evolution of the human foot to enable efficient walking and running.

In an accompanying News & Views article, Glen Lichtwark and Luke Kelly suggest that the mechanism could be directly applied to improve designs of prosthetic limbs or legged robots that aim to mimic human feet.

doi: 10.1038/s41586-020-2053-y

「Nature 関連誌注目のハイライト」は、ネイチャー広報部門が報道関係者向けに作成したリリースを翻訳したものです。より正確かつ詳細な情報が必要な場合には、必ず原著論文をご覧ください。

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