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人間の二足歩行における腕の振りは、それぞれの腕が反対側の脚の動きに合わせて振れる自然な動作です。下肢に対して反対方向に腕を振ることで、体の角運動量が減少し、歩行中に生じる回転運動のバランスが保たれます。このような振り子のような腕の動きは歩行に必須ではありませんが、近年の研究では、腕の振りが人間の運動における安定性とエネルギー効率を向上させることが示されています。腕の振りのこうした利点は、特に競歩や短距離走などのスポーツで活用されています。
腕の振りの役割に関する研究は、主に二足歩行モデルの分析[ 1 ]とヒト被験者に対するトレッドミル実験から成ります。さまざまな複雑さの二足歩行モデルは、腕の振りが人間の歩行に及ぼす影響の説明を提供しました。二足歩行の過程で、脚の振りは、支持足の地面反力モーメントと釣り合う角運動量を生み出します。腕を振ると、下肢の回転とは反対方向に角運動量が生じ、体全体の角運動量が減少します。体の角運動量が減少すると、支持足の地面反力モーメントが減少します。[ 2 ]
腕の動きの振幅や頻度は歩行によって決まります。つまり、スイング動作は変化する状況や外乱に適応します。[ 3 ]歩行速度が上がると、腕のスイングの振幅もそれに応じて大きくなります。腕の動きの頻度も速度に応じて変化します。研究によると、約 0.8 m/s より低い速度では、腕と脚の動きの頻度の比は 2:1 ですが、それ以上の速度では、その比は 1:1 になります。[ 4 ]
骨格モデルを用いたシミュレーションと力板を用いた実験の両方で、腕を自由に振ることで歩行中の支持足にかかる地面反力モーメントが制限されることが一致している。これは、腕の振りによって下肢に対するバランスが取れるため、全体の角運動量が減少するからである。[ 5 ]言い換えれば、腕を振ると、被験者は地面に対してより小さな反力モーメントを及ぼすことになる。これは、支持足と地面との間の摩擦力が、腕を振らない場合ほど高くなくてもよいことを意味する。
腕の振りが体幹の回転によって引き起こされる受動的な自然な動きなのか、それとも能動的な筋肉の働きを必要とする能動的な動きなのかは、腕の振りの利点と機能を明らかにする上で重要な議論となってきた。最近の研究では、歩行中のエネルギー消費に焦点を当て、低速では腕の振りは体幹の運動学によって決定される受動的な動きであり、肩から吊り下げられた一対の振り子と何ら変わらないことを示した。脳によって制御される能動的な上肢の筋肉の働きは、外乱があった場合にのみ行われ、その自然な動きを回復させる。しかし、高速では、受動的な動きだけでは実験で観察された振りの振幅を説明するには不十分である。能動的な筋肉の働きの寄与は歩行速度とともに増加する。腕の動きには一定量のエネルギーが消費されるにもかかわらず、総エネルギー消費量は減少するため、腕の振りは依然として歩行コストを削減する。そのエネルギー削減率は3～13%である。[ 6 ]
人間の歩行における四肢間の協調、つまり人間の歩行が四足歩行に基づいているかどうかという疑問は、もう一つの大きな関心事である。いくつかの研究では、人間の歩行中の四肢間の協調はネコの場合と同様の方法で組織化されており、腕の振りは四足歩行の残存機能である可能性があるという見解を後押ししている。[ 7 ]歩行中の腕の動きの制御メカニズムに関する別の研究は、前述の知見を裏付け、中枢パターン発生器（CPG）が周期的な腕の振りに関与している可能性があることを示している。しかし、これらの知見は腕の振りが痕跡的であることを意味するものではなく、2003年に二足歩行における腕の振りの機能に関する証拠が示された後、議論の余地があるように思われる。[ 8 ]
腕を振るエネルギー効率と、それが体の運動量を調整する可能性は、スポーツで活用されてきました。短距離走者は、腕を振る直線運動量への寄与を利用して、より高い前方加速を得ています。競歩選手も、腕を振るエネルギー効率を利用しています。歩行中のリズミカルな動きとは異なり、腕を正しく振ることは、さまざまな競技における運動能力の向上に役立ちます。立ち幅跳びのパフォーマンスは、ジャンプの開始時に腕を前方に振り、着地時に腕を前後に振ることで向上することが示されています。これは、腕を動かすことで体の直線運動量を調整できるためです。[ 9 ]回転運動量と直線運動量を調整するために腕を使用することは、宙返りや体操でも一般的な方法です。[ 10 ]
腕の振りに関する文献は、特にヒューマノイドロボットにおいて歩行の安定性が大きな課題であるため、ロボット工学の研究者によって部分的に作成されています。これまでのところ、多くのヒューマノイドロボットは腕の振りを必要としない静的平衡を歩行中に維持していますが、最近の動的平衡で歩行するヒューマノイドロボットには腕の動きが追加されています。[ 11 ] 腕の振り子のような動きは、自力で歩行できるメカニズムである受動動的歩行器にも利用されています。[ 12 ]
律動的な腕の動きの組織化と下肢との協調に関する根底にある神経メカニズムを理解することで、脊髄損傷や脳卒中患者のリハビリテーションのための効果的な戦略の開発が可能になる。この観点から、歩行中の腕の振り、立位での腕のサイクリング、立位での腕の振りなど、さまざまなタスクの律動的な腕の動きが調査され、結果は共通の中枢制御メカニズムを示唆した。[ 13 ]トレッドミルで歩きながら左側のストループ課題を実行すると、特に高齢者では右腕の振りが減少する傾向があり、その維持に上位中枢が大きく関与していることが示唆される。[ 14 ]すべての年齢の男性は認知負荷と右腕の振りの間にこの干渉効果を示すが、女性は60歳まで抵抗力があるようだ。
不健康な被験者における腕の動きの役割は、歩行時の安定性を維持するために患者が採用する戦略を調査するもう 1 つの一般的な方向性です。たとえば、片麻痺の CP の子供は、脚によって生成される角運動量が大幅に増加し、影響を受けていない腕の角運動量の増加によって補償され、腕の振りが体の回転運動のバランスをとるためにどのように利用されているかを示しています。[ 15 ]両側の腕の協調性の低下は、臨床的に観察される腕の振り動作の非対称性に寄与する可能性があり、これはパーキンソン病の兆候である可能性があります。[ 16 ]腕の振りの非対称性のレベルに関する定量的研究は、早期および鑑別診断、およびパーキンソン病の進行の追跡に役立つと考えられています。[ 17 ]