Çevrede Yürüyüşe Dair Bakış Açıları (2005)

(BM 526 projesi, şekiller için dosyaya bakınız)

Giriş

Yürüyüş, temelde bir kişinin ileriye hareket etmesini sağlayan bir dizi beden hareketidir. Bir yürüyüş döngüsü, ardışık hareket evrelerinden oluşan periyodik bir yapıya sahiptir. Bu yapı, her hareket evresinde uzuv açılarının ve pozisyonlarının nispi olarak sınırlı olmasını gerektirir. Ancak yürüyen bir kişi, sürekli olarak çevresiyle etkileşime girer ve yürüyüşünü bu doğrultuda ayarlar. Yürüyüşteki çevresel etkileşim, bir dizi giriş ve çıkış kanalı aracılığıyla gerçekleşen bir iletişim olarak kabul edilebilir.

Bazı giriş kanalları şunlardır:

Görme: Kişi, yürüyüş rotasında ve görsel menzilinde yer alan arazileri, duvarları ve engelleri hesaba katarak farkındalığını sürekli genişletir.
Duyma: Kişi, hareketini düzenlemek için müzik ve diğer periyodik sesleri kullanarak zaman duygusunu geliştirebilir.
Dış Kuvvetler: Bir yürüyüşçü, ayaklarından aldığı zemin tepki kuvvetlerine yanıt olarak yürüyüşün periyodunu, genliğini ve şeklini otomatik olarak ayarlar.
Denge: Kişi, kütle merkezine etki eden atalet ve diğer kuvvetleri kontrol eder ve düşme tehlikesinden kaçınarak bir güven duygusu kazanmaya çalışır.

Bu faktörler, yürüyüş tarzını ve kişinin çevredeki değişimlere uyum sağlamak için yaptığı kademeli değişiklikleri etkiler. Çıkış kanalı ise, kasları kasarak beden hareketini kontrol eden motor sinyallerden oluşur. Başını kaldırarak önündeki yolu görmek gibi ek çıkışlar da vardır. Bu giriş ve çıkış kanalları arasında merkezi sinir sistemi (CNS) yer alır. CNS, doğuştan yürümeyi öğrenme yeteneğine sahiptir ancak herkes deneyim yoluyla bu beceriyi farklı şekillerde geliştirir. Ortalama bir kişiyle kıyaslandığında, körlük ve nöromüsküler anormallikler gibi durumlar, yürüyüşün giriş ve çıkış kanallarındaki farkları en açık şekilde gösterir. Küçük ölçeklerde de benzer varyasyonlar normal ve sağlıklı kabul edilen bireyler arasında gözlemlenebilir. Farklı hayatlar yaşamış her birey, yürüyüş sırasında çevreyle farklı şekillerde iletişim kurar.

Bu çalışmada, bu dört giriş kanalının her birini incelemeyi amaçlıyorum. Bu algıların her biri farklı disiplinlerde çalışılmaktadır, bu nedenle farklı perspektifler arasında geçiş yapmamız gerekebilir.

Yürüyüşteki görsel girdiler, davranış biliminde [1] eylemin başlamasından hemen önce bellekte tamponlanarak önceden işlenen hazırlık bilgileri olarak incelenmiştir.
Yürüyüş ve müzik ilişkisi, müzikolojide [2] incelenmiş olup, yürüyüş döngüsünün 2 Hz temel bir frekansa sahip olduğu ve bu frekansa yakın tempoya sahip müzikle rezonansa girerek (hareketin hızlanarak) uyum sağladığı ortaya konmuştur.
Zemin tepki kuvvetleri, biyomekanikte iyi bilinse de, yürüyüşçü ve yürüdüğü yapı arasındaki iki yönlü etkileşim olarak pek ele alınmamış olup, bu durum inşaat mühendisliğinde önemlidir [3].
[4] çalışmasında, kişinin düşme kaygısının duruşu ve kas kontrolü üzerindeki etkileri, algılanan tehlike miktarı ve kas sertliği açısından ele alınmıştır.

Bu farklı etkiler, yürüyüş hareketinin nihai sonucunu belirlemek için birleşir. Bu etkilerin her birini ilgili çalışmalar ve sonuçlarını inceleyerek anlamamız gerekmektedir. Ayrıca, farklı çevresel koşullarda hangi etkilerin diğerlerine baskın geldiğini belirlemek için bu etkilerin nasıl etkileşimde bulunduğunu gösteren bir modele ihtiyaç vardır, ancak bu değerlendirmeler bu makalenin kapsamını aşmaktadır.

Farkında Olmak

Yolumuzda bir direk gördüğümüzde, etrafından dolanarak ondan kaçınırız. Bu basit görünse de, aslında 3 boyutlu uzay farkındalığımıza dayanan temel bir çarpışma önleme kuralıdır. Bu en üst düzey bilişi yönetebilmek için görsel farkındalığın ötesinde ancak onu içeren genel bir yürüyüş mantığına ihtiyacımız vardır.

Mechner [1], yürüme hareketini karmaşık bir değişken davranışsal şartlılık olarak ele alır; bu, yürürken çevremizi etkilediğimiz ve bu etkileri izleyerek sürekli davranışımızı uyarladığımız anlamına gelir. Yürüyüş yapısını üç ardışık adımda özetler:

1) Yaklaşan arazinin algılanması (çevreye ve türe bağlı olarak görsel, işitsel, kimyasal veya dokunsal yollarla; örneğin, yarasalar radar, bazı deniz canlıları sonar veya kimyasal algı, birçok böcek koku alma kullanır) ve algının işlenmesi, yürüyüş hareketlerinin oluşturulması ile sonuçlanır.
2) Yürüyüş hareketlerinin uygulanması.
3) Beklenmedik arazi özellikleri veya diğer yönlendirici uyarıcılarla karşılaşıldığında, araziyi geçiş sırasında geri bildirimlere yanıt olarak ayarlamalar yapılması.

İlk adım, işleme-algılama veya kısaca “pp aşaması” olarak adlandırılırken, ikinci adım motor fazdır. Yürümenin temel kuralı, görsel bilginin kullanılmadan önce işlenmiş olması gerektiğidir; yani, ilgili motor faz başlamadan önce “pp aşaması” tamamlanmalıdır. Arazinin takibini kaybedersek durmak ve etrafa bakmak zorunda kalırız. Benzer şekilde, çok ileriye bakarsak, şu anda gerekli olan bilgiyi unutabiliriz. Bu kurala uyularak bir yürüyüş hareketi, Şekil 1’de görüldüğü gibi ardışık fazların sıralı bir diyagramı ile temsil edilebilir.

Temel Frekans

Bazen bir müzik duyduğumuzda yürüyüşümüzün periyodikliğini müziğin temposuna uyacak şekilde ayarladığımızı hissederiz. Yürüyüş, zamanı kuantize eden periyodik bir etkinliktir. Yürüyüş döngülerinin frekans ve faz senkronizasyonu, zamansal periyodikliğin ana yönüdür. Styns ve arkadaşları [2] yaptıkları deneylerde deneklerden, duydukları müzik parçalarına yürüyüş ritimlerini ayarlamalarını istemişlerdir. Amaç sadece topuk vuruşlarının müzik vuruşları ile senkronize edilmesi değil, aynı zamanda vuruşlar arasındaki boşluğu dolduran şeyin de değerlendirilmesiydi. Bu duruma “mekansallaştırma” denmiştir; müzik temposunun, senkronizasyondan bağımsız olarak yürüyüş tarzı, hızı veya adım boyutu gibi hareket parametrelerine etkisi olarak ifade edilmiştir. Bazı müzik parçalarını dinlerken daha hızlı yürümeye başladığımızda bu etkinin oluştuğu görülmektedir.

Deneylerde, rock, pop, techno, dans, trance, hard rock, film müziği, dünya müziği gibi çeşitli türlerde 50 ila 190 BPM (dakikadaki vuruş sayısı) arasında düzenli dağıtılmış 68 müzik parçası ve karşılaştırma için aynı tempo aralığında 18 basit metronom ses klibi kullanılmıştır. Her denek bu parçaları dinlerken yürümüş, adımları ve yürüyüş hızı kaydedilmiştir. İkinci bölümde, denekler aynı parçalara parmak vuruşu yaparak eşlik etmiştir. Parça çok hızlı veya çok yavaş olduğunda, bazı kişiler frekansı yarıya indirip iki katına çıkarmıştır.

Sonuçlar, parmak vuruşunda yürüyüşten daha yüksek senkronizasyon oranları göstermiştir. İlginç bir sonuç, belirli bir frekansa (yaklaşık 114 BPM) yakın müziklerde yürüyüş senkronizasyonunun önemli ölçüde arttığıydı. Bu sonuç, motor aktivitenin uzun vadeli enerji spektrumunda yürüyüş nedeniyle oldukça uyumlu bir rezonans frekansı olan 2 Hz (120 BPM) ile önceki çalışmaları doğrulamaktadır. Farklı tempolara sahip müzik parçalarıyla oluşan senkronizasyon hatalarını gösteren Şekil 2 bu durumu göstermektedir.

Yapıya Uyum Sağlamak

Biyomekanikte, ayaklarımızı iten tepki kuvveti, kaslarımızın karşı koyduğu önemli bir faktördür. Yürüyüşün çoğu evresinde, zemin tepki kuvveti (GRF) fleksör olarak hareket ettiğinde, kaslarımız bacağımızı uzatmaya çalışır; ekstensör olarak hareket ettiğinde ise kaslarımız, eklemi esneterek bu etkiye karşı koyar ve vücut duruşunu korur. Bu, bedenimizin durumunu kontrol etmek için bilinen istemsiz bir motor tepkidir. Ancak, her GRF bizim yere uyguladığımız kuvvetin bir tepkisidir ve göz ardı edilmemelidir. Newton’un üçüncü yasasında belirtildiği gibi, bu kuvvet GRF ile eşit büyüklükte ancak zıt yönde bir kuvvet vektörüdür. Zemin statik ise bu kuvveti göz ardı edebiliriz. Ancak zemin hareketliyse, yürüyüşü tamamen göreceli bir bakış açısından yeniden ele almamız gerekir: Yalnızca kişi zeminde yürüyormuş gibi algılanamaz, zemin de kişinin altında hareket ediyormuş gibi düşünülebilir.

Şekil 4‘te gösterildiği gibi, Londra’da 2000 yılında açılan, ancak açılışın hemen ardından karşılaşılmayan sonuçlardan ötürü kapatılan Millennium Köprüsü, özel bir yapıydı. Köprüyü inşa eden mimar ve mühendisler, çelik bir köprüde 2 Hz hızında yürüyen insanların kinetik etkileşimini ve bu köprünün 1 Hz doğal yan salınım frekansını hesaba katsa, salınımların yanal bir sallanma genliğini artırarak köprüde yürümeyi dayanılmaz hale getireceğini tahmin edebilirlerdi. İnsanların dikey yürüyüş frekansı yaklaşık 2 Hz idi, bu da yürümenin yan frekansının (iki ayak nedeniyle) iki katı olan 1 Hz’dir ve köprünün temel yan frekansıyla aynıdır. Bu rezonans, köprünün açılışındaki video kayıtlarında da görülebilecek şekilde, sağa sola 7 cm’e kadar bir sallanmaya neden olmuştur [8].

Yüzlerce insan köprüden geçmeye başladığında, köprü ilk salınımını kazanmıştır. Bu, sırasıyla sağa ve sola bir zemin tepki kuvveti salınımına neden olmuştur. Sallanma, insanların adımlarını ayarlayarak sol ayaklarını bastıklarında GRF’nin onları sağa, sağ ayaklarını bastıklarında ise sola itmesini sağlamıştır. İnsanlar ayrıca adımlarını yana doğru genişleterek sallanmanın getirdiği ek zemin kuvvetine karşı koymak için köprüye daha büyük yanal kuvvet uygulamışlardır. Sallanma yavaşça arttıkça, insanlar bilinçsizce altlarında hareket eden zemine uyum sağlama ve köprünün salınımını daha da artırma konusunda sorun yaşamamıştır. Böylece köprüye uyum sağladıkça, insanlar birbirleriyle de uyum sağlamış ve bir bütün oluşturmuşlardır. Köprü, hareketin temel frekansını belirledikçe, insanlar zemin olmuş ve köprü onların altında yürümüştür, aksi olması gerekirken. Bu durumu modern topluma bir metafor olarak düşünmek mümkündür: insanlar, dinamikleri belirlenmemiş güzel yapılar inşa eder, ardından kalabalıktaki her birey, etrafındaki bu yapay yapılara uyarak birbirine daha çok benzer hale gelir ve bu ortak yaşam biçiminin kaynağının yapay ve keyfi doğasını gizemli bir hale getirir.

Racic ve diğerleri [3], insan-yapı etkileşimi sorununu biyomekanik ile inşaat mühendisliği arasındaki bir yaklaşımla çok disiplinli olarak ele almışlardır. Çalışma, biyomekanikteki genel terimleri de içeren insan yürüyüşüne dair detaylı bir tanımla başlar. Ardından, yürüyüş döngüsündeki zemin tepki kuvvetlerinin mekanizmaları ve bireysel fazlar ve alt fazlar açıklanır. GRF’yi ölçmemizi sağlayan tekniklerle birlikte, bir yürüyüş döngüsünde GRF’nin tipik fonksiyonu sunulur. Çalışma, köprüler ve merdivenler gibi esnek yapılarla sağlam bir zeminde (rijit yapı) GRF ölçümünü konu alan önceki deneylere referanslar verir. Bu esneklik, farklı zemin esneklik seviyelerinde yürüyüşün tam bir sırasını kaydedebilen enstrümantasyonlu bir koşu bandı cihazıyla simüle edilmiştir. Deneyler, esnekliğin dikey kuvvetleri yumuşattığını ve yüzeyde koşma performansını artırdığını ancak zıplamayı olanaksız hale getirdiğini göstermiştir (sönümlenme ve sekmeye dönüştürme). Diğer çalışmalar, Millennium Köprüsü’nde görüldüğü gibi köprü ile insanların senkronizasyonunun, lateral uyarılma adı verilen bir pozitif geri bildirim oluşturabileceğini göstermiştir.

Anksiyete ve Denge Kontrolü

Son olarak tartışacağımız giriş kanalı içsel bir kanaldır. Çoğu zaman, daha önceki deneyimlerimize dayanarak bir zeminin hareketimize nasıl tepki vereceğini tahmin ederek otomatik olarak yürürüz. Ancak dengemizi ayarlamak için düşme ihtimali ve tehlikesini hissetmemizi sağlayan bir mekanizma da vardır. Yüksek bir uçurumun veya korkuluksuz bir balkonun kenarında durduğunuz bir anı hatırlarsanız, artan denge kontrolü sağlayan tehlike algısını bilirsiniz.

Brown ve arkadaşları [4], düşme korkusunun vücut kasları üzerindeki etkisini belirlemek amacıyla deneyler yapmışlardır. Deneklerin bir süre ayakta durduğu bir platform kurmuşlardır. Platform yükseltilebilir veya alçaltılabilir ya da denek platformun ortasında veya kenarında durabilir (Şekil 6). Bu iki durum da kaygı miktarını kontrol etmek içindir. Denekler, önceki düşme deneyimleri ve düşme korkularına dair anketler doldurarak kaygının dış faktörlerden bağımsız olarak etkisini izole etmişlerdir. Her denek bir kuvvet plakasında dururken, vücut kütle merkezi (COM) ve basınç merkezi (COP) hesaplanmıştır. Galvanik deri iletkenliği (GSC) de farklı test koşullarındaki kaygıyı çıkarmak amacıyla ölçülmüştür. Sonuç olarak, denek yüksek bir platformda ya da platformun kenarında durdukça aşağıdaki değişiklikler gözlemlenmiştir:

a) GSC önemli ölçüde artmış, bu da artan kaygıyı işaret etmiştir.
b) Ortalama COM ve COP ön yönde azalmış, denekler geriye doğru eğilmiştir.
c) COM ve COP değişkenliği azalmış, bu da beden dengesinde artan bir kontrolü göstermiştir.
d) Son olarak, COP’nin ortalama güç frekansında (MPF) belirgin bir artış gözlemlenmiştir.

Bu değişiklikler, postürel kontrolün ters sarkaç modelini kullanarak yorumlanabilir [11]. Bu model, denge değişkenliğinde (c’de olduğu gibi) bir azalma ile denge frekansında (d’de olduğu gibi) bir artışın, büyük olasılıkla agonist ve antagonist kasların aynı anda kasılmasıyla ayak bileği ekleminde artan bir sertliği yansıttığını belirtir. Deneyler, bu ayak bileği sertliği göstergelerinin, deri iletkenliğiyle yansıtılan düşme kaygısıyla ilişkili olduğunu göstermiştir.

Önceki çalışmalar, korkuyu duruş kontrolünde olumsuz bir faktör olarak ele alırken, bu çalışma denge kaygısının duruş kontrolünde artan bir kontrol sağlamak için faydalı olabileceğini öne sürmektedir.

Sonuç

Bu çalışmada, yürüyüş hareketini etkileyen farklı çevresel etkileşim türlerini inceledik. İlk olarak, yürümeye özgü, mekansal ve zamansal farkındalık gerektiren diğer ileri hareketlerle paylaşılan genel davranışsal örüntüyü araştırdık. Ardından, yürüyüş temposunun müziğe senkronize olması ve müziğin yürüyüş stilinde mekansallaşması şeklinde yürüyüş davranışındaki değişiklikleri harekete geçiren bir uyarıcı olarak müziğe odaklandık. Üçüncü bölümde, bazı yürüyüş evrelerinde rollerini incelemiş olduğumuz tepki kuvvetlerini ele aldık; ancak, bu kuvvetlerin yürüyen kişi ile çevresel yapı arasındaki ileriye yönelik geri bildirim etkilerini daha ayrıntılı analizler gerektirdiği sonucuna vardık. Son olarak, dengenin kontrol edilmesi için kas sertliğini artırmayı teşvik eden psikolojik kaygı etkilerini tartıştık.

Bu etkiler, insan davranışı ve mekanikleri üzerine farklı yaklaşımlar ve kuramlar aracılığıyla incelenmiştir. Ancak, bu disiplinlerin hepsi ortak bir çalışma nesnesini paylaşır: Yürüyen bir insan. Yürüyüş döngüleriyle beden hareketi öncelikle biyomekanik alanına ait olsa da, beden hareketiyle ilgili bilgi üreten başka çalışma alanları da vardır. Sonuç olarak, yürüyüş fazlarının biyomekanik çalışmasının, yürüyen kişinin çevreyle daha karmaşık etkileşimleri dikkate alınarak zenginleştirilebileceğini söyleyebiliriz.

Perspectives on Walking in an Environment

Introduction

Walking is basically a sequence of body movements that allow a person to move forward. A gait cycle has a periodic structure that consists of a certain sequence of phases that are in turn composed of some sub-phases of movement. This structure puts a general constraint that limits the relative limb angles and positions in each phase of the movement. However, a walking person also continuously interacts with her environment and adjusts her walking accordingly. The environmental interaction in gait can be considered as a communication that takes place through a number of input and output channels.

Some of the input channels are:

Vision: The person constantly extends her awareness by taking into account the terrain, walls, and obstacles in her trajectory and visual range.
Audio: One can use musical and other periodic sounds to enhance the sense of time to regulate her movement.
External forces: A walker automatically adjusts the period, amplitude, and shape of the gait in response to the ground reaction forces felt through the feet.
Balance: One always controls the inertia and other forces acting on the body center of mass and tries to maintain a sense of security by avoiding the danger of falling.

These factors affect the fundamental style of walking, as well as the gradual changes the person makes to adapt the variations in the environment. The output channel is basically composed of the set of motor signals that contracts the muscles to control body movement. There are also auxiliary outputs such as lifting your head to see the path in front of you. Between these input and output channels lies the central nervous system (CNS). The CNS has an inborn capability to learn walking, but every person learns it differently through experience. Compared to the average person, the differences in the input and output channels of walking are most obvious in cases of blindness and neuromuscular anomalies respectively. Same variances with smaller quantities also exist among people assumed to be normal and healthy. Every person that lived a unique life communicates differently with the environment while walking.

In this paper, I intend to consider each of these four input channels. Each of these perceptions is studied in various disciplines, so we may have to switch between different perspectives.

The visual input in walking is studied in behavioral science [1] as preparatory information that is buffered in memory and processed in advance just before the beginning of an action (output).
The relation of walking to music is studied in musicology [2], revealing that gait has a fundamental frequency of 2 Hz, and it resonates (the movement becomes faster) with musical pieces with a tempo closer to this certain frequency.
The ground reaction forces are well-known in biomechanics, but they are not commonly considered as a two-way interaction between the walking person and the structure she is walking on, which is crucial in civil engineering [3].
In [4], the effects of a person’s anxiety about falling on her posture and muscular control are discussed in terms of the amount of perceived danger and stiffness of muscles.

These different classes of effects combine to determine the end result of a walking motion. We first have to obtain an understanding of each of these effects by examining these studies and their results. Moreover, a model is needed to determine how these effects interact in differing environmental conditions in which different effects dominate over the others, but these considerations exceed the scope of this paper.

Being aware

When we see a pole on our way, we avoid it by walking around it. It seems simple because it is a basic rule of collision that depends on our spatial awareness of 3D space. To deal with this highest level of cognition, we need a general logical structure for walking that includes but is not limited to visual awareness.

Mechner [1] considers locomotion as a complex variable behavioral contingency, which means that while walking, we affect our environment in time and also constantly adapt our behavior by tracking these effects. He summarizes the structure of locomotion in three consecutive steps:

1) Perceiving the upcoming terrain (through visual, auditory, chemical, or tactile means, depending on the environment and species, e.g., bats use radar, some marine animals use sonar or chemical perception, and many insects use olfaction) and processing the perception, culminating in the formulation of the locomotion movements.

2) Executing the locomotion movements.

3) Making adjustments in response to possible feedback during terrain traversal when and if unanticipated terrain features or other diverting stimuli are encountered.

The first step is called processing-perception or pp phase, whereas the second step is the motor phase. The basic rule of locomotion is that one must finish processing the visual information before it will be used, i.e., pp phase must be completed before the corresponding motor phase begins. If we lose track of the terrain, we have to stop and look around. Similarly, if we look too far ahead, we might forget the information that is currently needed. By applying this rule, a locomotion movement can be represented by a diagram of staggered subsequent phases, as seen in Figure 1.

The fundamental frequency

Sometimes we hear a piece of music, and we feel that our walking adjusts its periodicity to the musical tempo. Walking is a periodic activity that quantizes time. Synchronization of the frequency and phase of gait cycles is the primary aspect of temporal periodicity. In their experiments, Styns et al. [2] requested the subjects to adjust their rhythm of walking to the musical pieces they were hearing. What they sought not only included the synchronization of heel strikes to the musical beats, but also involved what filled the space between the beats. They called it spatialization, which referred to the effect of a musical tempo on the motion parameters independent of synchronization, such as walking style, speed, or step size. Spatialization refers to the effect when we start walking faster while hearing certain pieces of music.

The experiments involved 68 musical pieces regularly distributed in the range of 50 to 190 BPM (beats per minute) in several genres including rock, pop, techno, dance, trance, hard rock, film music, world music, etc. They also included 18 plain metronome sound clips in the same tempo range for comparison. Every subject walked while listening to these pieces, while her steps and walking speed were recorded. In the second part, the subjects listened again to tap her finger to the same pieces. Some people halved or doubled the frequency while synchronizing, especially when the piece was too fast or too slow.

The results showed higher ratios of synchronization in tapping than in walking. An interesting result was that near a certain frequency (~114 BPM) the success in synchronizing walking increased considerably. This result confirms previous work showing a 2 Hz (120 BPM) highly tuned resonance frequency due to locomotion in the long-term energy spectrum of motor activity [5]. Figure 2 shows the synchronization errors resulting from musical pieces of differing tempo.

The experiments also aimed to find the spatialization effect of music, independent of synchronization successes. They compared the distribution of walking speed corresponding to each different tempo frequency. As a result, walking speed increased with increasing tempo until 114 BPM, where this rise stopped and speeds became more varied around a fluctuating mean speed. They eliminated the effect of tempo by considering speed changes in the same tempo pieces. The result was interesting: The musical pieces caused a significant increase in walking speed, compared to the metronome clips in the same tempo. This increase in the walking speed was independent of synchronization because it was also seen in people who could not adjust their walking tempo to the piece with a higher tempo. The idea that follows is that music near a certain frequency resonates with some of our periodic daily activities, such as walking, and makes us faster and better motivated.

The resonance behavior can be seen better in Figure 3, where step sizes of all subjects are aggregated in a single plot that relates step size to the walking tempo. It shows that people walk in larger steps with a tempo near 147 BPM. Note that this effect is independent of the success in matching the tempo and phase of the music. Just like an object vibrating to a certain frequency, the subjects walked with larger steps, i.e., responded with an increasing amplitude in oscillation upon walking in a near-critical frequency. The change in oscillation amplitude is formulated as a function of resonance frequency, external frequency, and a damping factor. This is the same model used to explain resonance in previous tapping experiments [6]. Therefore, as the biomechanical structure of tapping a finger is separate from that of walking, the authors speculated that perception of the musical pulse may be due to an internalized model of the locomotion system. They think this can be a generalized movement model, independent of the person’s body metrics, because previous work showed no effect of personal body parameters on the long-term movement spectrum [5].

Adjusting to the structure

In biomechanics, the reaction force that pushes our feet is an important factor that our muscles act against. In most phases of walking, when GRF acts as a flexor, our muscles try to extend our leg, and when it acts as an extensor, our muscles oppose this effect by flexing the joint to conserve body posture. This is a well-known involuntary motor response to control the situation of our body. However, every GRF is a reaction to the body force we apply on the ground that should not be overlooked. As stated by Newton’s third law, this is a force vector with a magnitude equal to GRF in the opposite direction. If the ground is static, we can ignore this force. But if the ground is moving, we have to reconsider walking from a completely relative standpoint: Not only the person can be perceived to be walking on the ground, but also the ground can be considered to be walking beneath the person.

The Millennium Bridge in London, shown in Figure 4, was a very special construction that opened in 2000 but closed just after the opening due to unforeseen consequences of several civilians crossing it [7]. If the architects and engineers who built the bridge had considered and calculated the kinetic interaction between the people walking near 2 Hz on a steel bridge that has a natural lateral oscillation frequency of 1 Hz, they could have predicted a synchronization that would amplify the oscillations to a lateral swaying amplitude, making it unbearable to walk on the bridge. The vertical frequency of the people was approximately 2 Hz. This is twice 1 Hz, the lateral frequency of walking (due to two feet), which is the same as the fundamental lateral frequency of the structure itself. This resonance caused a sideways swaying up to 7 cm, which is visible in the video recordings of the official opening of the bridge at [8] (see also Figure 4). When hundreds of people started to cross the bridge, it obtained an initial oscillation. This, in turn, caused an oscillation in GRF rightward and leftward in turn. The swaying made people adjust their steps so that when they put their left foot down, the GRF would push them rightward, and when they put their right foot down, the GRF would push them leftward. They also widened their steps sideways to exert a greater lateral force on the bridge to balance the additional ground force due to the oscillation. As the oscillation built up gradually, people had no problem unconsciously adapting to the moving ground beneath them and further amplifying the oscillation of the bridge. Thus, by synchronizing with the bridge, they all synchronized with one another, forming a whole. As the bridge determined the fundamental frequency of the movement, the people eventually formed a ground for the bridge to walk beneath, not the other way around as it should have been.

Racic et al. [3] studied the problem of human-structure interaction in a multidisciplinary approach, specifically halfway between biomechanics and civil engineering. The paper begins with a detailed description of human gait, including general terms in biomechanics. Then, individual phases and sub-phases of gait, the mechanisms behind the ground reaction forces are explained, and the typical function of GRF in a gait cycle is presented, with additional information about the techniques that allow us to measure these forces. Then the paper continues with references to previous experiments on measuring GRF in flexible structures such as bridges and stairs, as opposed to a solid ground that is a rigid structure. This flexibility is simulated by an instrumented treadmill device that can be used to record GRF in a full sequence of walking in different ground flexibility levels. The experiments showed that the flexibility softened the vertical forces, and improved performance in running on the surface, but made it impossible to jump (damping and converting it into bouncing). Other works showed that synchronization between the bridge and the people may cause a positive feedback called lateral excitation as in the Millennium Bridge discussed above. These experiments were limited to small amounts of data and assumed that vertical forces increased with gait speed. Other work [9] showed that at certain speeds near 3.5 m/s while jogging, the vertical GRF reached a maximum value that did not increase with speeding up and running, and they approximated vertical GRF normalized to body weight as a function of gait speed.

As opposed to force plates, treadmill measurements allowed for the recording of GRF variability among the gait cycles of a single gait sequence of a person. The experiments showed that vertical and lateral GRF variability increased with speed, but anterior-posterior variability reached a minimum around a certain optimum speed near 5.6 km/h, which is near usual self-selected speeds discussed in previous studies. Note that this value is also close to the resonance walking frequency of 147 BPM that caused larger steps in [2].

The study proceeds by describing time-domain and frequency-domain models of human forces on the structure. In time-domain problems with low-frequency structures, vertical walking force is defined as the sum of Fourier components that represent the effect of different harmonics of the fundamental frequency of footfalls. Each component is weighted by the strength of that harmonic (called dynamic loading factor – DLF) and body weight. Several deterministic and probabilistic models to simulate the human effect on low and high-frequency structures are explained in detail.

The fifth section is devoted to the synchronization phenomenon, which is also called the lock-in effect. This is a relatively new problem, introduced by new architectural trends to use light material to provide slender and aesthetic design. Thus, our current knowledge is not based on many experiments. The study examines the popular belief that involves a critical density of people that changes the nature of interaction. According to this approach, for less dense crowds, synchronization only occurs if there is a perceivable oscillation x>xC. For denser crowds, an additional factor comes into play, which is the group behavior of people imitating and copying the movements of other people walking in front of them (similar to flocking behavior [12]). This introduces a new and harder physical threshold of the total mass of people that would induce the amplitude of structural vibration MC, which must not be exceeded to prevent synchronization. The conditions are shown as a decision tree in Figure 5.

Anxiety and balance control

The last input channel we will discuss is an internal one. Most of the time, we walk automatically based on our previous experience of estimating how a terrain will react to our movement. However, there is also a mechanism for us to feel the probability and danger of falling to adjust our balance. If you recall a moment when you were standing near a high cliff or a balcony without fences, you know the perception of danger that causes increased control over body balance.

In [4], Brown et al. conducted experiments to determine the effect of fear of falling on bodily muscles. They set up a platform on which subjects stood up for a while. The platform could be lowered or heightened, or the subject would stand up either on the middle or on the edge of the platform (Figure 6). Both considerations were to control the amount of anxiety. The subjects included a young group and an older group. Each subject filled out questionnaires about their perceived fear of falling and their previous falling experiences to isolate the effect of anxiety from external factors. As each subject stood on the force plate, body center of mass (COM) and body center of pressure (COP) were calculated. Galvanic skin conductance (GSC) was also measured to infer the anxiety in different testing conditions. As a result, the following changes were detected as the subject stood up on a higher platform or at the edge of the platform:

(a) GSC significantly increased, implying raised anxiety.
(b) Mean COM and COP in the anterior direction decreased, as the subjects leaned backward.
(c) Standard deviation in COM and COP decreased, pointing to increased control over body balance.
(d) And lastly, a significant increase in mean power frequency (MPF) of COP.

The changes can be interpreted by utilizing the inverted pendulum model of postural control [11]. This model dictates that a decrease in sway variability (as in c) combined with an increase in sway frequency (as in d) reflects increased stiffness at the ankle joint, probably achieved by contracting the agonist and antagonist muscles at the same time. The experiments showed a correlation of these indicators of ankle stiffness to the actual anxiety of falling, reflected by skin conductance.

Contrary to previous work that considered fear as a negative factor in posture control, this study suggests that balance anxiety may be beneficial for increased control of posture.

Conclusion

In this paper, we examined different types of environmental interactions that affect walking movement. We first investigated the general behavioral pattern of locomotion that is shared with other progressive activities that require spatiotemporal awareness. Then, we focused on music as an exciter of changes in walk behavior, namely the synchronization of walking tempo to the music and spatialization of the music in walking style. The third part involved reactionary forces, which are already studied through their role in certain phases of gait, but require more in-depth analyses of their cumulative effects that may cause forward feedback between the walking person and the environmental structure. Finally, we discussed the psychological effects of anxiety that encourage increased muscular stiffness to control balance.

These effects are studied through different approaches and theorizations of human behavior and mechanics. However, all of these disciplines share a common object of study: A walking human being. The body movement through gait cycles primarily belongs to the field of biomechanics, but there are also other fields of study that create knowledge related to body movement. In conclusion, we can say that the biomechanical study on the phases of gait can be enriched by considering more complex interactions by the walking person with the environment.