未来型のバイオニックハンドで、腕を切断した人が触れた感覚と動きを取り戻せる
映画『スター・ウォーズ』のルーク・スカイウォーカーのように腕を置き換えられる未来は、もはやSFの話にとどまらない。科学者たちは、腕の切断によって失われた生きた感覚を再現するため、小さなロボットの助けを借りる「バイオニックハンド」を開発した。ロボットは、切断部位の筋肉を安全に振動させることでこれを行う。
Grand View Researchが2021年に発表したレポートによると、2028年までに世界の義肢・装具市場は80億ドル以上の規模に達する見込みだが、人工の手足には大きな課題がある。日常生活で役立つ直感的な感覚、たとえば手を握ったり開いたりする感覚を伝えることができないのだ。
クリーブランド・クリニックのラーナー医科大学でバイオメディカル工学の准教授を務め、新しいバイオニックハンドの研究の主著者であるポール・マラスコ氏は、Science Robotics誌に掲載された論文で次のように述べた。「私たちは今もなお、第二次世界大戦中に最盛期を迎えた技術を使い続けている」。
ロボティクス分野では今、金属と写実的な肌の色合いを組み合わせたバイオニックハンドが注目を集めている。バイオニックハンドを開発している他のチームもいくつかあり、人気のサイバーパンクゲーム『Deus Ex』や『Metal Gear Solid』の制作チームなどもその例だが、マラスコ氏は自身のバージョンがいくつかの利点を持つとアピールしている。
このSF的な装置は、標準的なマッチ箱の約半分の大きさの強力なロボットを使い、脳との間で情報を直接やり取りする。思考を動作に変換する一方で、同時に脳と接続して、想定される動作に対応する感覚を伝えることができる。
この新しい人工の手足は、リアルタイムで従来の義肢に対する優位性を示した最初のバイオニックハンドだ。たとえば、自然な手の仕組みを十分正確に再現するため、使用する切断者の無意識の反射を回復させることができる。
私たちは日常的にこうした反射に頼っている。たとえばコーヒーカップを持つとき、手はテーブル上のマグを見つけ、適切な強さで取っ手を握り、こぼさないタイミングで離す。どれほど慌ただしい朝でも、腕の筋肉にある神経が「このコーヒーを飲まなければ」という選択に自動的に反応するため、私たちは考えずにこの動作をこなせる。
従来の義肢はこのような滑らかな動きを再現できない。手動で操作する必要があり、切断者は常に義肢に注意を払い、健康な人なら直感的に任せられるようなことまで気にしなければならないからだ。
2人の被験者で装置を試験し、前例のない分析ツールを使用したところ、研究チームは大きな手応えを得た。被験者は切断前の反射的な行動、たとえば直感的なつかみ方や自然な眼球運動を取り戻し、手足から離れた場所に視線を集中させることもできた。
この金属製の手は、神経端の再配置、制御センターのような役割を果たす小型ロボット、そしてバイオニックハンド本体という三つの要素で構成される。注目すべきは、手術では、切断された人の健康な部分の神経端のうち、指先などの遠位部分に使われていたものを切断部位に「移植」する点だ。
マラスコ氏はこう説明する。「脳は、指が筋肉につながっていることは知っているが、その筋肉が前腕ではなく肩にあることは知らない」。バイオニックハンドは切断部位に取り付けられ、小型ロボットが受け口に挿入される。これらのロボットは、患者が手に触れた際に接続された神経端を刺激するため、該当部位を押す役割を果たす。
筋肉を緊張させると、複雑な手の動きの錯覚といった非常に興味深い感覚も得られる。研究者たちはゼロから始めるのではなく、既存の義肢を改良し、装置を素早くリハビリテーション施設に届けること、そして従来の義肢より費用対効果を高めることを目指した。高度でない義肢を使う人は、切断していない側の身体を過度に酷使することが多く、それが背中や肩の問題を招き、最終的に高額な医療を必要とすることになる。
「こうした先進的なシステムは最初は高価に見えるが、使用者が常に気を遣う必要がないため、結果的に負担は少ない。将来的にバイオニック義肢の価格はさらに下がるだろう」
研究論文にはこうある。「バイオニック義肢には回復の可能性がある。しかし、直感的な運動制御と触覚との複雑な相互作用は、上肢機能の特徴であるにもかかわらず、これまで明らかにされていなかった。本研究では、触覚、把持の運動感覚、直感的なモーター制御を組み合わせたニューロバイオニックシステムが、標準的な義肢の使用者とは異なる、機能レベルに応じた行動特性の向上につながることを示す」。
