特集
NEW ERA<新時代>Technology

人の脳と機械を結び付ける「筋電義手」技術と人体拡張の可能性

【肉体×テクノロジー】電気通信大学大学院 情報理工学研究科 横井浩史教授

私たちの体、特に筋肉に流れる微弱な電気信号(筋電)を感知して動作するロボットの手=「筋電義手」のテクノロジーが昨今、より実用的に進化を遂げている。不慮の事故や先天性のハンディを抱える人たちに、健常者と変わらない生活をもたらす可能性を秘めたこの技術。長年、研究を続けている電気通信大学 大学院の横井浩史教授に話を伺った。

肉体を補完する“ロボットハンド”の実現

電動義手の歴史は意外にも古く、今から約100年前にドイツでモーター駆動の義手が開発されたことに端を発し、1962年にはソ連(当時)で初の筋電義手が誕生した。「ですが、日本ではなかなか研究・開発が思うように進みませんでした」と、1996年より同大学で、実用的な義手の開発を目指し「個性適応技術」の研究に取り組んできた横井教授が説明する。

「1978年に一度、筋電義手が日本でも実用化されたのですが、片腕全体で約5kg、前腕だけでも約1.5kgもの重さで、日々の生活において使い続けることは困難でした。また、日本では義手に対する公的支援も整っておらず、企業も『マーケットに潜在性がない』という判断で研究・開発には及び腰だったのです」

こうした問題のほかにも筋電を感知する技術にもハードルが多々あり、それに取り組む必要があったという。

「それまでの筋電義手は『開く、閉じる』(オン・オフ)の動作だけ認識するタイプ、その後、発せられる筋電の大きさに比例して『開く、閉じる』の強さを変えるタイプが開発されました。

ですが、やはり健常者のようにスムーズに、さまざまな動作に適応できなければ…と考え続け、2005年にまとめた『個性適応制御理論』を用いて義手の開発に着手しました」

筋電は動作ごとで、さらに一人一人で信号に個人差がある。横井教授の「個性適応制御理論」は、生活環境における空調や電気製品が発する電波ノイズがあふれる状況で、個々の筋電の違いや強弱をリアルタイム認識できる義手の実現を推し進めた。

おしゃれな革製トランクケースに収納された義手一式。これは同室の教授からの「持ち運びにも日常感を演出して、義手をより自然なものと意識してもらえたら」というアイデアからきている

脳から身体へ伝わる信号を、義手が学習する

個性適応制御理論で横井教授が着目したのは、筋電の周波数帯。

どんな手の動きのときに、どういう信号が出ているのか? 筋電をパターン識別し、そのパターンを人工知能(AI)が学習。より複雑な動作を実現できる筋電義手を、2015年に横浜国立大学、東海大学、民間企業等と共同開発した。

「装着者には事前に『握る』『開く』『モノをつかむ』といった動作をイメージしてもらい、その際に発した筋電を義手内のAIに学習させます。その上で筋電義手を装着し、同じように動作をイメージしてもらうと、義手が的確に筋電を認識して、脳内で思い描いたイメージ通りに、自分の手のように義手を動かすことができます」

スマホやタブレットにダウンロードしたアプリを開き、腕に巻いたセンサーを介して義手に「握る」「開く」の動作時に発せられる筋電のパターンを学習させる。1分ほどで済む準備作業だ

装着して動かしたときの動画

現在、モニター向けに試用されている筋電義手は、子どもで5パターンほど、大人で15パターンほどの筋電を学習させ、握る、つまむなどの動作を強弱をつけて、ほぼリアルタイムで行える。義手には制御用にマイクロコンピューターが組み込まれているが、指を動かす動力は市販のモーター、義手の骨格は3Dプリンターで制作できるため、従来のものより生産が容易に。コストも「以前は150万円ほどだったものが50万円近くまで抑えられました」と横井教授が明かす。

「時計などが良い例ですが、複雑な機械を使うのをやめればやめるほどコストは安くなりますよね。現在は『この部品、いらないかも』という研究も年度単位で進めています。モーターとセンサー…と、仕組みは至ってシンプルです。なので、いずれは筋電義手を『小学生でも当たり前に作ることができる技術』にしたいと思っています。“夏休みの自由研究でやってみよう”感覚で仕組みを理解してもらえたら、次世代のテクノロジーへの関心も、筋電義手の認知も一気に広がるはずですから」

テクノロジーを追求して知る、人体の不思議

実用的な筋電義手の開発において忘れてはいけないものがもう一つある。

義手にかぶせる皮膚(グローブ)だ。横井教授の研究室では、このグローブの研究にも余念がない。

「グローブは研究室の学生が開発に熱心です。発泡スチロール系の熱可塑性エラストマーという素材で成形しているのですが、通常のシリコーンよりもずっと柔らかく、13倍にまで伸びるため、義手の動作に適しています。グローブの素材が硬いと、モーターの出力が上がらず、エネルギーがロスしてしまうのです」

皮膚(グローブ)を実際に引っ張ってみせる横井教授。モーターの動作を遮らず、かつ耐久性もあり、触れた感触も滑らか。爪の部分まで全て同じ素材で成形されている

グローブは模擬臓器の製作会社へ造形を依頼。しわや爪までリアルに表現されるのだが、それを作る過程で「人間の手の機能の奥深さに気付かされた」と横井教授は振り返る。

「人間は細かいものをつまむ際、柔らかな指先を爪が圧迫することで安定してつまめているのです。爪がないと柔らかい指先はものをつまもうとすると反り返ってしまいます。これは義手でも同じで、きちんと爪を作る必要があります。硬い素材と軟らかな素材のマッチングで細かいものが持てるのだな…と、手そのものの機能の奥深さを知りました。

手については、例えば“指でボタンをとめる”のには、指のどういった機能が働いているのか?といったことも、実はまだ研究され尽くされていません。また、手のしわや厚みはその人がどんな生活を送ってきたのかで変わり、どんな職業に就いているのかも分かるそうです。ですので、その研究が進めば、手にハンディがある方の生活・就労環境に合わせてしわや厚みを調整したグローブで、より機能的な義手を製造することも夢ではありません」

横井研究室の学生の手をかたどり、成形されたグローブ(人工皮膚)。多重な動き、自由な運動に耐えながら、部分部分で厚みやしわも付けられる。見た目にも実物と差が感じられない

筋電を分析する研究過程で、人体や生命の奥深さにも触れ、実用化へフィードバックする──。

まさに一人でも多くの人が豊かに過ごせるための“人体×テクノロジー”を体現した取り組みといえるだろう。横井教授が続ける。

「手の研究を通してさまざまな医大の研究にも触れる機会があります。医学界では、手指の組織を再生させる研究が進んでいて、例えば親指を半分に割いて、それぞれを用いて親指を2本に再生させることも不可能ではないそうです。こうした医療技術と筋電義手の技術が共に進歩すれば、義手か?再生か?必要とされる方にとって適した選択ができる時代がやってくると思います」

筋電義手の先にあるもの

筋電義手の研究・開発は進んでいるが「では、義足は?」という素朴な疑問を抱く人もいるのではないだろうか。

荷重の問題などがあるのだろうか?と横井教授に伺うと、「決してそうではないのです。手は目的が定まらず、足は定まっていることが理由です」と、手足の機能の違いを解説する。

「足には“歩く・走る”という主目的が定まっていて、他の役割が少ないため、現状の義足でもある程度は賄えています。一方、手にはモノを持つ、文字を書く、乗り物を操縦するなど役割が多様で定まりません。それに手は、頭で思い描くことを最も具現化できて自由度も高く、むしろ難しい分野でもあるのです。だからこそ研究が進んでいるのです」

「直近の課題は、機能を落としてでも義手自体の軽量化」と実用性を見据えて語る横井教授。現在の重量はコンピューター、グローブも含めて190g~1kg(サイズで異なる)とのこと

そのため、筋電義手の研究・開発が進めば足へのテクノロジー応用は必然的であり、さらに壮大な「その先の可能性も見えてくる」と横井教授は説明する。

「例えば、義足で自然に歩けるようになれば、次はチーターよりも速く走れる義足が研究されるかもしれません。または、健常者向けに第3の腕の役割を担う義手を…など、義手や義足が役割を満たせば、更なる“機能の拡張”の研究・開発が見据えられるでしょう。

ただ何でも拡張するのではなく“本当に必要か?”という考えの下、人類が長い年月を経て牙を捨て、強靭(きょうじん)な筋肉を捨て、体毛を捨て…と必要なものを絞って進化し、生存確率を高めてきた歴史の次の段階ともいえるかもしれません。もしかしたら情報を指で入力するよりも、腕にインターネットを仕込んで直感的にコミュニケーションできたり、一人で複数の自動車を同時に運転できたり、そんな人体の拡張の可能性もありますよね」

筋電を計測するセンサーには金属ではなく、シリコーンに炭素を練り込んだ素材を採用。柔らかく密着感もあり、肌に異物感を感じさせないという。横井教授によると「この密着性を高めてプールなどでも使用できるようにしたい」という

そんな未来も見据える横井教授の元には、「自分の手・指を作りたい」という先天的なハンディを抱えた学生や、欧米をはじめ、中東などアジアの学生が集い、バリアフリーでグローバルな雰囲気に包まれている。

“健常者もハンディを抱えた人も、国境を越えて分け隔てなく当たり前の生活を”という願いで突き進む筋電義手の研究は、いつか私たちすべての人体に革命をもたらすきっかけとなるかもしれない。

この記事が気に入ったら
いいね!しよう

Twitterでフォローしよう

この記事をシェア

  • Facebook
  • Twitter
  • はてぶ!
  • LINE