75세 이상 인구 절반이 경험하고 있다는 관절염을 수술없이 완화, 예방할 수 있는 특수 제작 신발이 나왔다. 신발 안창과 겉창 사이 중창의 발 안쪽, 바깥쪽 경도(딱딱한 정도)를 달리한 ‘다중 경도 신발’이다. 본교 학부생 위재연(휴먼바이오·17)씨의 연구 결과를 아웃도어 브랜드 블랙야크가 반영해 제작했다.

위씨는 논문 ‘60분 적응 후 정상 보행 시 다중 경도 신발의 생체 역학적 효과’ (위재연,2019)를 <국제정밀공학제작학회지>(International Journal of Precision Engineering and Manufacturing) 온라인판에 제1저자로서 게재했다. 이 학회지는 SCI급 국제 학술지로 학부생이 대표저자로 발표하는 일은 이례적이다. 이로써 휴먼기계바이오공학부에서는 올해 두 번째로 학부생이 SCI급 학술지에 논문을 발표하게 됐다.

위씨는 다중 경도 신발 착용 60분의 적응기간 이후에도 관절염의 직접적 원인이 되는 ‘무릎 내전 모멘트’를 지속적으로 감소시켰다는 결과를 입증했다. 발걸음을 내딛을 때 땅으로부터 받는 충격과 힘은 우리의 몸 중앙 방향으로 가해진다. 발의 위치보다 힘이 가해지는 위치가 더 안쪽에 있다는 의미다. 그 둘 사이 거리와 충격의 크기를 곱한 값이 무릎 내전 모멘트다. 이 값이 커질수록 관절염이 발생할 가능성이 높아지고, 관절염 환자들은 증상이 더 악화된다.

다중 경도 신발은 땅으로부터 받는 충격의 크기를 최대한 줄이기 위해 제작됐다. 발의 위치와 힘이 가해지는 위치 사이의 거리는 팔자걸음, 안짱걸음 등 걸음걸이별로 달라 일괄적으로 조정하기 어렵기 때문이다. 그래서 걸을 때 바닥으로부터 받는 힘의 크기를 조정해 전체적인 무릎 내전 모멘트를 줄이려고 했다. 위씨는 무릎 안쪽의 경도가 바깥쪽에 비해 상대적으로 낮을수록 안쪽과 바깥쪽 무릎의 충격 흡수도가 비슷해져 일반 신발을 착용했을 때보다 무릎에 무리를 덜 줄 것이라고 예상했다.

따라서 보행시 발생하는 힘이 몸 안쪽 방향으로 작용한다는 사실을 고려해 신발 중창 부분의 내측을 푹신하게, 외측을 딱딱하게 만들었다. 컴퓨터 시뮬레이션 기능인 유한요소해석법을 이용해 1대 1.6이라는 최적의 내·외측의 경도 비율을 찾아낼 수 있었다.

위씨의 실험은 신체 건강한 남녀 20명을 대상으로 진행됐다. 첫 번째로 일반 신발을 신은 채로 걷기, 두 번째 다중 경도 신발을 신은 직후에 걷기, 세 번째 다중 경도 신발을 신고 60분의 적응 기간을 가진 후 걷기 총 세 차례 실시됐다.

이들은 한 실험 당 10~12m 거리를 걸었으며, 실험 대상자의 몸에는 카메라가 인식할 수 있는 적외선 마크를 붙여 조건별 움직임을 측정하고 비교했다. 다중 경도 신발을 신은 후 60분의 적응 기간을 주는 경우를 설정한 이유는 새 신발을 신었을 때와 신발에 적응한 이후가 생체학적으로 다른 결과를 낸다는 선행 연구 때문이었다.

실험 결과 일반 신발보다 다중 경도 신발을 신었을 때 무릎 내전 모멘트가 낮게 나타났다. 실제로 신발 중창의 경도를 달리하는 방식이 관절염 증상 완화에 도움이 된 것이다. 다중 경도 신발을 신고 60분의 적응 시간을 보낸 후에도 일반 신발보다 무릎 내전 모멘트가 유의미하게 낮았다.

이로써 위씨는 연구를 통해 착용 시간과 상관없이 다중 경도 신발은 효과가 있다는 사실을 밝혀낼 수 있었다. 또한 발을 보호하는 도구로만 여겨졌던 신발이 의료기로서도 사용될 수 있다는 가능성을 보여줬다.

위씨의 논문은 연구 결과가 아웃도어 브랜드 ‘블랙야크’의 실제 제품 생산으로 이어지는 ‘벤치 투 마켓(Bench To Market)’의 사례로 주목을 받기도 했다. 그는 “평발이라 발에 관심이 많아 이번 연구에 흥미롭게 참여할 수 있었다”며 “공과대학에 다니고 있다보니 순수 학문 연구보다는 실생활에 적용할 수 있는 연구를 할 수 있기를 바랐는데 이번 기회에 실현할 수 있어 뿌듯했다”고 말했다.