사람 다리에서 발견된 자동 변속기 기어 : 창조 설계-인간 [한국창조과학회 자료실]

미디어위원회

2026-09-23

사람 다리에서 발견된 자동 변속기 기어

(Automatic Transmission Gears Found in Human Legs)

David F. Coppedge

새로운 한 논문은 다리(legs)의 속도가 증가할 때, 기계적 움직임 방식을 설명하기 위해서 "기어"라는 용어를 사용하고 있었다.

PNAS 지에 발표된 새로운 한 논문은 "자연이 먼저 갖고 있었다"는 놀라운 또 하나의 사례를 보고하고 있었다. 당신은 빠르게 속도가 증가될 때, 기어를 자동으로 조절하는 자동 변속기(automatic transmission)에 대해 알고 있는가? 물리학이나 자동차 정비 수업을 들을 필요가 없다. 바로 여러분의 다리와 발목을 살펴보면 된다.

인간의 보행을 위한 동력 전달 메커니즘 연구. (Martin et al., PNAS, 2026. 8. 24, 온라인 2026. 9. 8). 위스콘신-매디슨 대학의 기계공학자 세 명과 앨버타 대학의 한 명의 연구자는 인간의 발목(human ankle)을 생물물리학의 경이로움이 펼쳐지는 곳으로 묘사하고 있었다 :

인간의 근육은 관절을 움직이는 데 필요한 최소한의 근육보다 훨씬 많지만, 이러한 중복성이 가지는 이점은 아직 명확하지 않았다. 본 연구에서는 이러한 중복성이 생체역학적 "기어(gears)" 시스템을 제공하여, 보행 시 발목에서 여러 근육 간에 동력 생산을 효과적으로 전환할 수 있도록 해준다. 이 발견은 근육 해부학(muscle anatomy)이 다양한 동작을 수행하기 위한 다용도 기능(versatile performance)을 위한 적응일 수 있다는 흥미로운 관점을 제시하며, 운동 적응성의 이해, 재활 개선, 보조공학 및 생체모방 기술 발전에 중요한 의미를 갖는다.

.인간의 이동 방식은 일상적 걷기부터 고강도 점프와 전력 질주에 이르기까지 다양하다.

만약 인체의 근육 수가 관절을 움직이는 데 필요한 근육 수보다 많다면, 이는 인체의 "초과 설계(overdesign)"라고 볼 수 있다. 인간은 수 세기 동안 지렛대, 기어, 모멘트 암(moment arms, 회전축에서 힘이 작용하는 선까지의 수직 거리), 기계적 이점이라는 개념을 다뤄왔기에, 인체의 해부학적 구조와 생리학적 기능을 새롭게 살펴보면서, 인체가 어떻게 물리학적 문제를 해결하는지 이해할 수 있다. 이 경우 문제는 걷기에서부터 조깅, 그리고 전력 질주로 속도를 높일 때, 기계적 이점을 유지하는 것과 관련이 있다.

이 훌륭한 논문을 감상하기 전에, 여기저기 튀어나오는 쓸데없는 진화론적 용어들을 무시하여, 논문의 진화론적 요소를 제거해 보라.

▶ “인간의 진화는 효율적이고, 견고하며, 적응력 있는, 움직임을 가능하게 하는 해부학적 적응으로 이어졌다.” - 진화는 지적 설계자가 아니다. 그렇다면 모든 것들이 무작위적으로 우연히 일어났는데, 어떻게 효율적이고, 견고하며, 적응력 있는, 공학적 해결책으로 이어질 수 있었을까?

▶ "흥미로운 진화적 특징 중 하나는 근육 중복성인데, 이는 인체에 자유도보다 더 많은 근육이 존재한다는 것을 의미한다." - 이는 진화가 아니라, 초과설계이다. 왜 이것을 '진화적' 특징이라고 부르고, '설계적' 특징이라고 부르지 않는 것일까?

▶ "이러한 톱니바퀴 같은 움직임은 중복된 근육 시스템이 진화적으로 지속된 이유를 설명할 수 있는 잠재적인 근거를 제공하며, 인간 운동 제어에서 다양한 모멘트 암을 갖고 있는 것의 중요성을 강조한다." - 만약 이것이 단지 '잠재적인' 설명일 뿐이라면, 아직은 제대로 된 설명이라고 할 수 없다. 자연선택은 기능이 없는 중복성을 유지하지 않을 것이다.

▶ "인간의 발바닥 굽힘근(plantarflexor)의 모멘트 암 기하학의 진화적 변화는 다른 영장류에 비해 이족보행 시 지속적 동력 생성을 위한 기능적 특수화를 반영하는 것일 수 있다." - 이는 논점을 회피하는 주장이다. 침팬지는 침팬지이고, 인간은 인간이다. 너클 워킹과 직립 이족보행은 서로 다른 역학적 요구 사항을 가지고 있다. 왜 굳이 관련 없는 두 가지를 연결하려 하고, 둘 다 각자의 필요에 맞게 지적으로 설계되었다고 보지 않는 것일까? 유일한 이유는 유물론에 대한 철학적 편견 때문이다.

▶ "이러한 행동은 기계 시스템의 기어 장치와 유사하며, 장시간 이동에 필요한 에너지 효율을 높이는 진화된 해부학적 특징과 행동을 반영하는 것으로 보인다" - 아마도 두두(DODO, Darwin Only Darwin Only) 교 신자에게나 통용될 만한 소리같아 보인다. 엔지니어들은 설계되었는지 아닌지를 알아볼 수 있는 눈을 갖고 있다.

▶ "이러한 일반적인 통찰은 운동 및 진화와 관련된 근육 중복성에 대한 이해를 높이는 동시에 다양한 근골격계 보행 장애 및 부상의 원인과 영향을 평가하는 데 실질적인 관련성을 갖고 있다." - 운동에 대한 이해는 물리학자의 몫이다. 중복성에 대한 이해는 공학자의 몫이다. 부상 원인의 평가는 의학자의 몫이다. 진화는 이 문장에서 아무런 기여도 하지 못하고, 인간의 기능적 설계의 경이로움을 무디게 할 뿐인, 무의미한 족쇄에 불과하다.

자, 이제 과학적인 내용으로 넘어가 보자. 기계공학자들이 사람의 다리에서 발견한 내용은 다음과 같다 :

본 연구에서는 근육 중복성이, 기계식 기어처럼 작용하는 다양한 모멘트 암을 제공함으로써, 운동 효율을 향상시키는지 여부를 조사하였다. 엔진이 가속을 위해 큰 기어를 사용하고, 고속 유지를 위해 작은 기어를 사용하는 것처럼, 인간도 운동 중 서로 다른 모멘트 암을 가진 근육들에 동력 발생을 단계적으로 분배함으로써, 운동 효율을 향상시키는 것으로 보인다.

그래서 우리는 움직임을 위해 여러 개의 근육들이 필요한 것이다. 속도가 달라지면, 모멘트 암(즉, 지렛대 거리, 즉 회전축에서 힘이 당기거나 미는 거리)이 늘어나거나 줄어들어, 움직임에 투입되는 힘의 효율이 달라진다.

예를 들어, 10단 자전거를 생각해 보라. 뒷기어 5단, 앞기어 2단으로 구성되어 있다. 핸들바에 있는 레버를 조작하면, 오르막길에서는 페달링 효율을 높이기 위해 큰 기어에서 작은 기어로, 평지에서는 속도를 내기 위해 큰 기어로 체인을 바꿀 수 있다. 같은 페달링 반경에서 기어비를 변경함으로써, 모멘트 암을 조절하고, 필요에 따라 가장 효율적인 추진력을 얻을 수 있는 것이다.

인체의 해결책이 멋진 이유는 모든 것이 자동이기 때문이다. 속도를 늦추거나 높이기로 결정하면, 몸이 알아서 처리한다. 투입된 힘에서 최상의 결과를 얻기 위해, 어떤 근육을 활성화해야 하는지 스스로 판단하여, "기어를 전환"한다. 생각할 필요조차 없다. 저자들은 이 인용문에서 자전거 타기를 예로 들었다.

기어링(gearing)은 운동의 여러 측면에서 중요한 역할을 한다. 신체 전체적으로는 발바닥 아래 압력 중심의 이동이 발목의 발바닥쪽굽힘근(ankle plantarflexors)에 필요한 내부 모멘트를 조절한다. 개별 근육 수준에서는 관절을 중심으로 한 근육-힘줄 단위의 모멘트 팔이 모멘트 생성 능력과 근육 수축 속도를 모두 조절한다. 이러한 등척성 강도와 수축 속도 사이의 상충 관계는 페달링이나 스프린트와 같은 동작 수행 능력과 관련이 있다. 근육 자체 내에서는 근섬유 다발과 근육-힘줄 단위의 작용선 사이의 각도가 근섬유의 수축 속도와 근육-힘줄 단위 사이의 기어비를 결정한다. 이러한 기어링의 각 양상은 개별 근육의 역학과 수축 속도에 영향을 미치며, 결과적으로 에너지 효율과 운동 효율에 중요한 역할을 한다.

발목은 모멘트 암의 길이를 늘리거나 줄이는 데 역할을 한다.

하퇴삼두근(triceps surae, TS)은 근육 구조와 절대적인 모멘트 암 길이로 내번근 및 외번근과 구별되지만, 기계적 이점은 발목 관절 자세에 따른 모멘트 암의 변화에 의해서도 영향을 받는다. 발목이 발바닥쪽으로 굴곡될 때, 두 근육군 모두 근육 경로의 변화와 관절 기하학적 구조에 따른 회전 중심의 이동으로 인해, 모멘트 암 길이가 증가한다. 그러나 내번근(invertors)과 외번근(evertors)은 하퇴삼두근의 9%(5~15%, 4.6mm)에 비해 평균 50%(25~80%, 6.5mm)의 더 큰 상대적 모멘트 암 증가율을 보인다. 발바닥쪽 굽힘에 따른 다른 발바닥쪽굽힘근(OPF, other plantarflexors)의 모멘트 암 증가는 발목의 발바닥쪽 굽힘이 급격히 증가하는 후기 푸시오프(late pushoff) 단계에서 발바닥쪽 굽힘에 대한 기여도가 증가하는 것과 잘 일치한다.

발목과 근육 사이의 "자동 변속(automatic transmission)"은 여러 트레이오프(tradeoffs)들을 포함하는데, 이러한 트레이오프들이 결합되어, 부드럽고 지속적인 움직임을 가능하게 한다. 수동 또는 자동 변속기가 장착된 자동차에서, 기어 변속을 느낄 수 있는 것과는 달리, 다리-근육 변속 시스템에서는 기어 변속 시에 뚝뚝 끊기는 느낌이 없다.

우리의 분석에서는 발바닥쪽 굽힘 모멘트 암이 작을수록, 고속에서 유리하지만, 이러한 효과는 모멘트 생성 요구 조건에 의해 제한됨을 보여준다. 즉, 모멘트 암이 너무 작아지면, 모멘트 생성 능력이 동력 생산의 제한 요소가 된다. 이는 모멘트 암이 클 때 발생하는 근육 수축 속도 제한과는 대조적이다. 따라서 발바닥 굽힘에 따른 근육 간 모멘트 암 변화의 중요한 결과는 실제로 근육 간 기어비 간격의 감소일 수 있으며(부록, 그림 S1), 이는 하퇴삼두근에서 다른 발바닥쪽굽힘근으로의 동력 전달을 원활하게 하는 데 도움이 될 수 있다. 관절 각도에 따른 모멘트 암이 기어비 간격에 미치는 영향은 인간이 근육 간 동력 전달을 효율적으로 활용하기 위해, 근육과 관절 형태를 발달시켜 왔음을 시사한다.

이 고효율적이고 기능적인 시스템이 무작위적 과정으로 우연히 생겨날 수 있었을까? 이는 설계를 가리키는 것이다. 우리 모두는 창조주께서 주신 선물인, 즉 걷기와 달리기를 위한 매끄럽고 정교하게 설계된 시스템을 갖고 있는 것이다. 이 시스템을 통해 속도 조절이 부드럽게 이루어지면서, 근육에 전달되는 힘을 극대화한다.

이 연구의 놀라운 점은 모멘트 암이 작은 발바닥쪽굽힘근들이 상대적으로 큰 일 기여도를 보인다는 것이다. 본 연구는 장력 측정법과 동작 분석을 결합하여, 근육 그룹별 기계적 에너지 기여도를 추정했다. 실험 결과에 따르면, 다른 발바닥쪽굽힘근들은 최대의 순 발바닥쪽 굽힘 모멘트의 21~31%에 해당하는 최대 모멘트를 발생시키고, 발을 떼는 동작 동안, 순 일의 40~45%를 기여하는 것으로 나타났다. 이러한 기여도는 높은 발바닥쪽굽힘 속도에서 힘을 유지하는 능력이 간과되었던 점을 감안할 때, 예상보다 클 수 있다 .

.인간의 발은 26개의 뼈들, 힘줄, 인대, 혈관, 신경, 피부 및 감각 기관으로 구성된 통합적인 고도로 복잡한 기관이다. (자세한 사진들은 여기를 클릭)

누가 발을 앞으로 내밀 때 기여도가 더 작을 거라고 예상했을까? 누가 힘을 지속적으로 유지할 수 있는 능력을 간과했을까? 창조론자였을까, 아니면 진화론자였을까?

저자들은 걷기가 각개 발걸음으로 이루어진다는 점을 상기시켜주고 있었다. 각 발걸음은 착지, 안정화, 그리고 추진력을 포함한다. 하지만 이러한 발걸음으로 한정된 움직임 속에서도 공원 산책은 매우 부드럽게 느껴질 수 있다. 이는 다리, 발목, 발, 발가락 등 여러 부위의 협응 작용 덕분이다.

시뮬레이션 결과는 발목 순동력 궤적에 대한 근육 기여도가 체계적으로 단계적으로 나타남을 시사한다. 발을 떼는 동작 초기에는 하퇴삼두근(TS)이 순 동력에 가장 크게 기여하며, 이 동력은 아킬레스건 반동(Achilles tendon recoil)과 장딴지근( gastrocnemius, 종아리 근육) 및 가자미근(soleus muscle) 섬유의 급격한 수축에서 발생한다. 반면, 다른 발바닥쪽굽힘근(OPF)의 힘은 지속적으로 유지되어, 발 떼는 동작 후반까지 힘줄 반동이 지연된다. 결과적으로, 발끝으로 떼기 직전의 동력 생성은 주로 모멘트 암이 작은 근육들, 특히 후경골근(posterior tibialis), 비골근(peroneals), 그리고 외재 발가락 굽힘근(extrinsic toe flexors, FHL, FDL)에서 발생한다.

결론에서 저자들은 자동차 기어 변속기 비유를 다시 언급하며, 유사점과 차이점을 지적하고 있었다. 자동차의 것과 사람의 것, 어느 쪽이 더 잘 설계된 것처럼 들리는가?

인체 근골격계 내의 기어 변속은 전통적인 기계 시스템과 유사점과 차이점을 모두 갖고 있다. 대부분의 액추에이터(actuators, 구동기)처럼, 근육-힘줄 단위는 특정 속도 범위 내에서 가장 효율적으로 작동한다. 그러나 기계 시스템이 일반적으로 한 액추에이터가 최적의 속도로 작동할 수 있도록 기어를 변속하는 반면, 인간의 다리는 서로 다른 모멘트 암을 가진 액추에이터 간의 동력 발생 위상을 조절함으로써 기어를 변속한다.

저자들은 로봇 설계자들이 인간의 해부학적 구조에서 배울 점이 있다고 생각하고 있었다. 휴머노이드 로봇은 요즘 꽤 잘 만들어지고 있고, 개처럼 생긴 로봇은 전장이나 구조 작업에서 인간을 도울 수 있다. 하지만 우리는 여전히 인간의 자연스러운 다리에 감탄하지 않을 수 없다.

흥미롭게도, 인간의 움직임에서 중복 액추에이터의 중요성은 로봇 공학에서 일반적으로 사용되는 방식과 대조적이다. 로봇 공학에서는 설계 및 제어 시스템의 단순화를 위해 액추에이터와 자유도를 일대일로 연결하는 것이 일반적이다. 이러한 시스템은 높은 토크와 빠른 속도가 모두 요구되는 응용 분야에서 어려움을 겪을 수 있으므로, 응용 분야에 따라 보다 생체모방적인 접근 방식이 필요할 수 있다 .

하지만 창조주께서는 단순함을 위해 우리의 설계를 타협하지 않으셨다. 오히려 최고급 모델로 장착시키셨다.

*인체 발의 구조에 대한 해부학자들의 설명도 참조하라.(2019. 6. 27).

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정말 흥미로운 논문이었다. 진화론자들도 훌륭한 연구 결과를 발표할 수 있다는 점에는 이견이 없다. 하지만 진화론적 설명은 과학적 성과에 아무런 기여를 하지 못한다. 진화론적 논리는 자전거 라이더가 언덕을 더 잘 오르도록 하는데 도움이 되지 않다. 그저 심사위원들을 만족시키기 위한 불필요한 짐일 뿐이다.

*참조 : 로봇의 넘어짐과 인간 신체의 우수성

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고도로 효율적인 사람의 발목

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인간은 두발로 보행하도록 만들어졌다.

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인간의 2족보행에 적용된 지적설계

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인간은 똑바로 서서 걷도록 창조되었다 : 나뭇잎을 따먹다가 이족보행을 진화시켰다고?

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인간의 몸은 하나님의 걸작품이다.

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