ソフトエクソスーツが歩行のニーズに合わせて自動的に適応できるようになる
私たちの歩き方は絶えず変化しています。私たちは速度を変えたり、坂道に合わせたりしていますが、ほとんど意識していません。この変動性のため、外骨格で歩行を再現するのは困難です。しかし、ハーバード大学工学・応用科学大学院（SEAS）の研究者たちは、人の歩き方に応じてソフト外骨格を自動的に調整する手法を 開発しました。
通常、歩き方に合わせて外骨格を設定するには、手動または自動による調整に数時間かかります。このプロセスは健康な人にとっても難しく、高齢者や臨床患者にとってはほぼ不可能なこともあります。
SEASの研究者たちは、外骨格の開発に独自のアプローチを採用しています。ユーザーの手足の動的な動きに注目するのではなく、筋肉に基づく補助戦略を構築しました。
「さまざまな歩行速度と傾斜において、超音波を用いて人のヒラメ筋の動きを記録しました。これらの事前に記録された画像に基づき、非効率的な短縮性収縮によってヒラメ筋が生み出す力を推定し、その推定力に比例する外骨格の補助プロファイルを開発しました。測定したすべての歩行課題において、両側の足首用外骨格を使ってこの手法を評価しました」と研究者らは述べています。
この戦略では、携帯型超音波システムがふくらはぎの筋肉の超音波測定を行います。これらの測定により、それらの筋肉が生み出す力を推定できます。研究者はこの測定値を用いて、個人に合わせた補助プロファイルを作成します。すると外骨格は、さまざまな歩行速度と傾斜に必要な補助量を自動的に決定します。外骨格は、歩行を助けるために必要な補助力をより小さくします。
「超音波を使って皮膚の下を観察し、複数の歩行課題中にユーザーの筋肉が実際に何をしているかを直接測定しました。私たちの筋肉と腱は柔軟であるため、手足の動きと、その動きを制御する主要な筋肉の動きとの間に、必ずしも直接の対応関係があるわけではありません」
この手法が従来のものと異なるのは、外骨格が、さまざまな速度と傾斜で歩く人に必要な補助量を自動的に判断できる点です。外骨格は、筋肉のプロファイルを把握するのにわずか数秒の歩行で済みます。
研究者によると、このエクソスーツは実環境にも素早く適応できるということです。スーツの有無で消費される代謝エネルギーを測定したところ、スーツによって消費される代謝エネルギーが大幅に減少することがわかりました。
SEASの大学院生で論文共著者のサンジュン・リーは次のように語りました。「筋肉を直接測定することで、エクソスーツを使う人とより直感的に連携できます。このアプローチでは、エクソスーツが装着者を圧倒するのではなく、装着者と一緒に働きます」
この研究は、ハーバードのバイオロボティクス研究所とバイオデザイン研究所の協力によるものです。研究はSEASの工学・応用科学教授コナー・J・ウォルシュが率いています。SEASの研究者たちは、リアルタイムで継続的に調整を行う場合に、このシステムがどのように機能するかを検証し、研究をさらに進める計画です。
「人の歩き方のばらつきは、個人の生理機能、環境、歩行課題によって異なります。そのため、装着型ロボティクスの分野では、ユーザーと課題に合わせて補助を調整する明確な必要性があります。ここでは、特定の課題中に人の筋肉の動きを直接測定して得られたデータに基づき、筋肉ベースの補助戦略を開発しました」と研究では述べられています。
実環境での試験において、エクソスーツは歩行速度や傾斜の変化に素早く適応できました。
「このアプローチは、快適で適応性のある補助を提供することで、動的な実環境における装着型ロボットの普及を後押しする可能性があります」
ジョン・A・ポールソン工学・応用科学大学院は、ハーバードにおける工学、応用科学、技術の教育・研究活動の連携役と統合役を担っています。ハーバード全体、他大学、企業や基礎研究のパートナーの研究者との協力を通じて、研究者たちは人と社会の生活を直接向上させる発見と革新を生み出しています。
ハーバード大学のウィス生物工学研究所は、自然の設計原理を活用し、生化学に基づく材料やデバイスを開発して、医療を変革し、より持続可能な世界を創出することを目指しています。
ウィス研究所の研究者は、臨床研究者、企業アライアンス、新規スタートアップとの協力を通じて、医療、エネルギー、建築、ロボティクス、製造向けの新しい革新的な工学ソリューションを開発し、商業製品や治療法へと発展させています。
研究所は、ハイリスクな研究に取り組み、分野や組織の壁を乗り越えることで革命的な技術的ブレークスルーを生み出しています。ハーバードの医学部、工学・応用科学部、芸術・科学部、デザイン大学院などが連携して活動し、多くの医療機関や他大学とも提携しています。
