ロボットアーム、切断患者向けにリアルタイム触覚制御を実現
世界で500万人以上が上肢切断を経験していますが、義肢は長い道のりを歩んできました。従来のマネキンのような義肢に加え、患者の残存筋肉の信号を読み取り、予測される動きをロボットで再現するよう設計された、関節の多い商用の神経義肢も増えています。
しかし、この高度な器用さには代償があります。神経義肢は数万ドルかかることがあり、重く硬い電動モーター付きの金属フレームで作られています。
マサチューセッツ工科大学（MIT）と上海交通大学の研究者は、柔らかく軽量で、低コストになる可能性もある神経義手を開発しました。義手を試した切断者たちは、スーツケースのファスナーを閉める、紙パックのジュースを注ぐ、猫をなでるといった日常動作を行いました。
いずれの動作も、より硬い神経義肢を使う場合と同じくらい上手に、場合によってはそれ以上にうまくできました。研究者らは、触覚フィードバックシステムを備えたこの義手が、ボランティアの残存肢にある一部の原始的な感覚を回復させたことも確認しました。
この新しい設計は、ハンマーで叩かれたり車に轢かれたりしても素早く回復するなど、驚くほど頑丈でもあります。このスマートハンドは柔らかく弾力があり、重さは約200gです。部品のコストは約500ドルで、より硬いスマート義肢の材料費と重量のごく一部にすぎません。
「これはまだ製品ではありませんが、既存の神経義肢と同等かそれを上回る性能をすでに示しており、そこは非常に魅力的です。切断により経済的に苦しんでいる低所得世帯に、非常に低価格でこの柔らかい義手を提供できる大きな可能性があります」
この腕のデザインは、漫画『ヒーロー・シティ』に登場する膨らむロボットを思わせます。人工の腕は、市販のエラストマーEcoFlexという柔らかく弾力のある素材で作られています。義手は5本の指からなり、それぞれが本物の指の関節骨のように繊維のセグメントで覆われています。それらは、人間の手の形をした立体的な「手のひら」につながっています。
多くの神経義肢のように指ごとに電動モーターで制御する代わりに、研究者らは簡単な空気圧システムを使い、指を正確に膨らませて特定の位置に曲げました。小型ポンプとバルブからなるこのシステムはベルトに装着でき、義手本体の重量を大きく減らします。
チームは、指の目標位置を、その位置に到達するためにポンプが加えるべき適切な圧力に対応させるコンピューターモデルを開発しました。研究者らはまた、空気圧システムを制御し、指を2本や3本まとめて握る動作や拳を握る動作を含む、五つの一般的な握り方を再現する位置へ指を膨らませるコントローラーも開発しました。
空気圧システムは、筋電図センサー（EMG）から信号を受け取ります。EMGは運動神経細胞が筋肉を制御するために発生させる電気信号を測定します。センサーは義手が使用者の肢に取り付けられる開口部に配置されます。たとえば切断者が拳を握るところを想像すると、残存肢からの信号を捉えることができます。
特別なアルゴリズムが筋肉の信号を「解読」し、一般的な握り方の種類と対応させます。エンジニアはこのアルゴリズムを使い、空気圧システムのコントローラーをプログラムしました。
ワイングラスを持つところを想像すると、センサーが残存筋肉の信号を捉え、コントローラーがそれを適切な圧力に変換します。するとポンプがその圧力を加えて各指を膨らませ、使用者が望む握り方を実現します。
研究者らは、多くの市販の神経義肢には搭載されていない触覚フィードバックの追加を目指しました。そのために、各指先に圧力センサーを取り付けました。このセンサーは接触や圧迫を受けると、感じた圧力に比例した電気信号を出力します。各センサーは使用者の残存肢上の特定の位置に接続されるため、たとえば親指で押したのか人差し指で押したのかを「感じ取る」ことができます。
ロボットアームの検証には、それぞれ上肢を切断した2人のボランティアが参加しました。義手を装着後、彼らは五つの一般的な握り方を想像しながら手の筋肉を繰り返し収縮させ、義手の使い方を学びました。
15分間のトレーニング後、握力と器用さを示す一連の標準テストを受けました。チェッカーの駒を並べる、ページをめくる、ペンで書く、重いボールを持ち上げる、イチゴなどの壊れやすい物をつまむといった内容です。同じテストをより硬いバイオニックハンドでも行ったところ、膨らませる義手は同等かそれ以上の結果を示しました。
ボランティアの一人は、柔らかい義手を日常生活で直感的に使うことができました。食事（クラッカーを含む）をしたり、ノートパソコン、ボトル、ハンマー、ペンチなどのさまざまな物を扱ったりできました。握手をする、花に触れる、猫をなでるといった動作も、義手を安全に操作して行えました。
最も印象的だったのは次の実験です。研究者らが目隠しをしたボランティアの指に触れたところ、どの指に触れられたかを区別できました。また、義手に収まるさまざまなサイズのボトルを「感じ取る」こともできました。チームはこれらの実験を、切断患者が膨らむ義手を使ってリアルタイムに感覚と制御の形を取り戻せる可能性を示す有望な結果と捉えています。
