プロテーゼの腕を解説：種類、仕組み、そして欠点とは
SF作品では義手が頻繁に登場し、多くの場合、人間の生身の腕よりはるかに優れた装置として華やかに描かれます。しかし、これは一般的な思い違いです。現実世界に存在する義手は、本物の腕の代わりとしてはほど遠いものです。多くの場合、単純な動作を助けるための道具にすぎません。
義手にできることや、市場にどのような製品があるのか、どのような難しさがあるのかを理解する前に、切断の種類、つまり指、手首、前腕、上腕の違いを知る必要があります。切断部位に応じて、適した義手が必要になります。指の喪失は最も簡単に補えますが、前腕の切断では深刻な問題が生じます。
義手の装着理由は、事故などによる四肢の切断だけではなく、腕の一部の変形を引き起こす先天性の変異の場合もあります。現在、義手には主に3つの種類があります：
- 牽引式（機械式）
- 生体電気式（生体電気センサーで動作し、最も先進的）
- 装飾用
装飾用義手の意味は、その名前に表れています。切断部分を目立たなくするだけで、機能はまったくありません。装飾用義手の利用者は、せいぜい何かを支える程度で、日常的な動作は何もできません。
機械式義手
牽引式、つまり機械式の義手は、ドイツ人ゲッツ・フォン・ベルリッヒンゲンの鉄の腕から始まりました。機能は限られていましたが、物をつかむことや、場合によってはペンで書くこともできました。装置の操作には、手の甲側に配置されたボタンを使う必要がありました。
産業革命の始まりとともに、義手は改良され、現在の技術へと近づいていきました。機械式義手は、フレームと、残された四肢の特定の部分に固定された多数のワイヤー（牽引索）から成ります。力が加わるとワイヤーが引っ張られ、義手が動いたり曲がったりします。このような義手は、完全に腕を失った場合を含め、あらゆる種類の切断に対応できます。
牽引式義手は、生体電気式と比べて、生体電気センサーの特性上、上腕の切断に適しています。義手はフレーム、ソケット、手先だけでなく、健康な肩に取り付けられたワイヤーで構成され、そのワイヤーによって操作されます（手首の屈曲と伸展）。肘の操作は健康な腕によるか、体幹を使って義手を振り出す方法に限られます。
牽引式義手の主な利点：
- 電子機器がないこと（コストが下がり、損傷にも強くなる）
- 上腕の切断でも装着できること
- 生体電気式と比べて重量が軽いこと
ただし、このような義手は握り方が一種類しかないため、特定の限られた動作向けとなり、日常生活では必ずしも役立つとは限りません。
生体電気式義手
生体電気式義手は、動作原理も装置そのものも複雑です。この装置は、残存する筋肉の電気的電位を読み取ることで動作します。説明すると、あなたが手を動かそうと決めると、脳から脊髄へ信号が送られ、それが神経に伝わり、筋線維につながります。信号は増幅されて、筋線維の特定のグループへと分配され、1本の神経が複数の筋細胞を動かすことがあります。
健康な手では、信号は例えば手のひらまで届くので、手を握ることができます。しかし、肘より下を切断した腕では、信号は「どこにも」行かず、つまり拡散してしまいます。信号が拡散する前に検出する専用のセンサーを取り付ければ、それを利用することができます。生体電気センサーは腕に埋め込む必要はなく、義手を装着するだけで十分です。
信号を検出した後、プロセッサーに送られて処理されます。その後、サーボモーターが作動し、義手が何らかの動きを行います。サーボモーターは小型の駆動装置で、信号を受け取り、プログラムのデータと照合して、何らかの動作を実行できます。
これらの義手の機械式に対する利点は電子機器にあります。サーボモーターの動きをプログラムし、さまざまな握り方を設定できます。牽引式は手を握ったり開いたりすることしかできませんが、生体電気式はジェスチャー、手首の回転などが可能です。握り方は18から22種類あります。
ただし、これらの握り方は切り替える必要があります。何らかの動作をしたいと思うだけで義手が実行してくれるわけではありません。義手の動作はセンサーに依存しており、脳や思考過程とのつながりはありません。切り替えはディスプレイ、義手のボタン、またはスマートフォンのアプリで行えます。機械式義手と同様に、握るためには筋肉の一部を常に緊張させる必要があり、長時間の使用では疲労を感じることがあります。
利用者は指を一本ずつ個別に操作することはできず、サーボモーターのコードにプログラマーが組み込んだ動作を行うことしかできません。指を個別に制御できる義手は一種類存在します。これは筋肉の超音波スキャンの原理で動作しますが、現時点では単一のプロトタイプにとどまっています。
前腕より上の切断と将来
前腕より上の切断での難しさは、信号を読み取る元がそもそもないことです。腕が完全に失われているため、センサーを設置する場所がありません。しかし、技術者たちは二つの抜け道を見つけました：
- Ottobock社のDynamicArmという開発品です。ソケットは上腕があるべき場所に装着され、制御のための信号を読み取ります。肘の屈曲は握り方の一つで、さらに負荷がかかると肘が自動的に伸びます。
- ジョンズ・ホプキンス大学の開発品です。患者は両腕を失っており、いずれも前腕より上で切断されています。研究者たちはセンサーを胸に配置しました。義手は可動性が高く、広い可動域を持ちますが、胸を使って腕を操作するのは難しいため、速度や操作の快適さに制約があります。
現在の義手は高度な技術を備えていますが、世界にはまだ成長の余地があります。腕を失った患者や両腕の切断を受けた患者は、義手によってリハビリを行い、行動の範囲を広げることができます。しかし、その効果はまだ限られています。神経プロテーゼや、生体電気センサーの数を増やしたニューラルネットワークによって、この結果を改善できる可能性があります。
指摘しておくべきは、義手の価格が依然として高いことです。価格は2万ドルから10万ドルです。3Dプリントによって価格を下げる試みもありますが、近いうちに目に見える効果が出るとは考えにくいです。SFの世界にはまだ遠いですが、この分野のロボティクスは止まることなく進んでおり、将来の奇跡に期待を寄せることができます。
