リアルタイム感触を搭載した義肢

柔らかくて弾力性があり、重さは約1.5kgで、コストは同等の従来の数分の1という義肢が開発されました。
さらに、リンゴやイチゴなどを掴んで食す、パソコンやハンマーなどの道具を使う、握手や猫を撫でるなどの細かい動きも可能なようです。

The new design is also surprisingly durable, quickly recovering after being struck with a hammer or run over with a car.

参照元：https://news.mit.edu/2021/inflatable-robotic-hand-tactile-0816
– マサチューセッツ工科大学 Massachusetts Institute of Technology. August 16, 2021 –

上肢を切断したことのある世界の500万人以上の人々にとって、義肢装具は大きな進歩を遂げています。

従来のマネキンのような義肢ではなく、高度に関節化された人工的な手足で、ユーザーの残存する筋肉の信号を感知し、意図した動作をロボットが模倣するように設計された商業的な神経補助器具が増えてきています。

しかし、このハイテクな手先の動きには代償が伴います。

神経人工装具は、数万ドルの費用がかかり、金属製の骨格に電気モーターを搭載しているため、重くて硬いのが難点です。

今回、MITと上海交通大学のエンジニアは、柔らかくて軽く、低コストの神経人工手を設計しました。

この義手を試した切断者は、スーツケースのジッパーを開けたり、ジュースのパックを注いだり、猫を撫でたりといった日常的な動作を、より硬い神経人工装具を装着した人と同じように、場合によってはそれよりもうまくこなすことができました。

研究者たちは、触覚フィードバックのシステムを備えたこの義肢が、ボランティアの手足の原始的な感覚を回復させることを発見しました。

また、この新しいデザインは驚くほどの耐久性があり、ハンマーで叩いたり、車で轢いたりしてもすぐに回復します。

スマートハンドは柔らかくて弾力性があり、重さは約0.5kgです。

剛性の高いスマートハンドに比べれば、重量も材料費も数分の一で済みます。

マサチューセッツ工科大学（MIT）の機械工学および土木・環境工学の教授であるXuanhe Zhao氏は話します。

「これはまだ製品ではありませんが、性能はすでに既存の神経人工装具と同等かそれ以上であり、私たちは興奮しています。このソフトな義肢を非常に安価にして、足を切断された低所得者層に提供できる可能性は非常に大きいです。」

Zhao教授らは、Nature Biomedical Engineering誌に研究成果を発表しました。

共著者には、MITのポスドクであるShaoting Lin氏、中国の上海交通大学のGuoying Gu氏、Xiangyang Zhu氏、および共同研究者が含まれています。

ビッグヒーローハンド

このチームが開発した柔軟な新デザインは、アニメ映画「Big Hero 6」に登場する膨らませたロボットに酷似しています。

ロボットと同様に、この義手にも柔らかくて伸縮性のある素材が使われています。

この義手は、5本の風船のような指で構成されており、それぞれの指には、実際の指の関節骨のような繊維が埋め込まれています。

これらの指は、人間の手の形をした3Dプリンターで作られた “手のひら “に接続されています。

一般的な神経補助器具のように、電気モーターを使って指を制御するのではなく、研究者たちはシンプルな空気圧システムを使って、指を正確に膨らませ、特定の位置に曲げることに成功しました。

小型のポンプとバルブを備えたこのシステムは、腰に装着することができるため、義肢の重量を大幅に減らすことができます。

Lin氏は、指の位置と、その位置に到達するためにポンプが必要とする圧力を関連付けるコンピュータモデルを開発しました。

このモデルをもとに、空気圧システムに指を膨らませるよう指示するコントローラーを開発しました。

指を膨らませる位置は、2本または3本の指をつまむ、拳を握る、手のひらを包むなど、一般的な5つの握り方を模しています。

空気圧システムには、筋肉を制御する運動ニューロンから発生する電気信号を測定する筋電図センサーからの信号が入力されます。

筋電センサーは、義肢の開口部に取り付けられていて、ユーザーの手足に装着されます。

これにより、例えば「拳を握る」という動作をイメージしたときの信号を検出することができます。

次に、既存のアルゴリズムを用いて、筋肉の信号を解読し、一般的な把持方法と関連付けることに成功しました。

このアルゴリズムを使って、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。

例えば、切断者がワイングラスを持つことを想像すると、センサーが残存する筋肉の信号を拾い、コントローラーがそれに対応する圧力に変換します。

そして、ポンプはその圧力を各指にかけ、切断者が意図した通りの把持を可能にします。

さらに研究者たちは、市販されているほとんどの神経補助器具には搭載されていない、触覚フィードバックを可能にすることを目指しました。

そのために、各指先に圧力センサーを縫い付けました。

圧力センサーは、触ったり握ったりすると、圧力に比例した電気信号を発生します。

それぞれのセンサーは、切断された人の手足の特定の場所に配線されており、例えば、義手の親指と人差し指のどちらが押されたかを「感じる」ことができるのです。

グリップ力

研究チームは、上肢を切断した2人のボランティアに、このハンドを試してもらいました。

神経補助器具を装着したボランティアは、一般的な5つの握り方をイメージしながら腕の筋肉を繰り返し収縮させ、使い方を覚えました。

この15分間のトレーニングを終えた後、ボランティアは手先の力強さと器用さを示すいくつかの標準的なテストを行いました。

チェッカーを重ねる、ページをめくる、ペンで字を書く、重いボールを持ち上げる、イチゴやパンのような壊れやすいものを拾う、などの作業です。

市販されている硬い義手を使って同じテストを繰り返したところ、硬い義手と比較して、膨らませた義手はほとんどの作業で同等かそれ以上の能力を発揮することがわかりました。

例えば、クラッカーやケーキ、りんごなどの食べ物を食べたり、ノートパソコンやボトル、ハンマー、ペンチなどの道具を扱ったりすることができました。

また、このボランティアは、誰かと握手したり、花を触ったり、猫を撫でたりするなど、ふにゃふにゃの義足を安全に操作することができた。

特に、目隠しをした状態で、どの指を突いたり磨いたりしたかを識別できたのは、とても興味深いことでした。

また、義手の中に入れた大きさの異なる瓶を「感じ」、それに反応して瓶を持ち上げることもできたそうです。

研究チームは、これらの実験結果を、切断者が膨らませた手で感覚を取り戻し、リアルタイムに操作できるようになるという有望な兆候だと考えています。

研究チームは、MITを通じてこのデザインの特許を申請しており、センシングと可動域の改善に取り組んでいます。

Zhao氏は話します。

「現在、4種類の把持方法があります。もっとたくさんの種類があってもいいと思います。このデザインは、より優れたデコーディング技術、より高密度の筋電アレイ、手首に装着できるようなよりコンパクトなポンプなど、改良の余地があります。また、この設計をカスタマイズして大量生産し、ソフトロボット技術を社会に役立てたいと考えています。」

Viideo: https://www.youtube.com/watch?v=p1d8i2lwuFw&t=20s