新しいバイオニック脚は、切断患者が楽に歩くことを可能にし、軽量で強力であり、独自の電気を生成することができる。

人生において、誰もが多かれ少なかれ、交通事故、火事、病気など、何らかの物質的損失を引き起こす不幸に遭遇する可能性があります。

さらに悪いことに、こうした不幸によって、何百万人、あるいはそれ以上の人々が、動くための手足を失い、物質的に豊かな世界で精神的な満足感を得ることができなくなる可能性があります。

現在、新しいタイプのバイオニック・レッグ（電動義足）により、切断患者の運動能力が大幅に向上すると期待されています。

ユタ大学の研究チームは、膝、足首、つま先の関節の生体力学に基づいて、切断患者のためのバイオニック脚を開発した。バイオニックレッグは軽量なだけでなく、装着者が歩くときにエネルギーを再生し、内蔵バッテリーの動作時間を延長することもできます。

さらに、前臨床試験では、バイオニック レッグが標準的な運動学と動力学に近い一般的な歩行動作を実行でき、切断者が平地や階段を歩くのに役立つことが示されています。

「膝、足首、つま先関節の生体力学を再現した軽量ロボット義足」と題された関連研究論文が、科学誌「サイエンス・ロボティクス」の表紙記事として掲載されました。この論文の責任著者は、ユタ大学機械工学部の助教授であるトマソ・レンツィ氏です。

(出典: サイエンス・ロボティクス)

このバイオニック・レッグは、フル充電で切断患者が15,460歩を歩くことをサポートできると予想されている（一般人の1日の平均歩数は7,500～10,000歩）。身長1.60〜1.91メートル、体重59〜91キログラムの切断患者に適しています。

軽量、柔軟、自己発電

名前が示すように、バイオニック レッグは、失われた手足の生体力学を模倣することで、手足を切断した患者の運動能力と生活の質を向上させることができます。

しかし、これまでの研究では、膝上切断患者が使用する義肢のほとんどはマイクロプロセッサで制御される受動的な装置であり、能動的な動きの生成や歩行サイクルへのエネルギーの注入など、失われた生物学的脚の主要な生体力学的機能を十分に再現することができない。

さらに、生体力学的シミュレーションとコンピュータを使用しない個別の実験により、歩行中に足首関節がかなりの正味の正のエネルギーを提供できることが示されています。足首の関節が損傷または欠損している場合、切断者は残存肢と健全な肢に力を加えることで欠損した足首のエネルギーを補わなければならず、その結果、不自然で非対称な、さらには非効率的な歩行パターンになります。

そのため、切断者にとって、通常の義足で歩くことは非常に困難であり、階段を上ったり、坂を登ったり、立ち上がったり、座ったりすることもさらに困難になります。

(出典: Pixabay)

従来の電動義肢は、切断患者に一定の電力を供給することができますが、受動義肢よりも重く大きく、バッテリー寿命も短いため、臨床上の実現可能性と実用性が大きく制限されます。

以前の研究で、レンツィ氏のチームは、電動自転車が上り坂でペダルをこぐのを助けるのと同じように、モーター、マイクロプロセッサ、高度なアルゴリズムを使用して下肢切断者の歩行を助ける軽量の動力付き外骨格を開発した。

この研究では、レンツィ氏のチームはさらに一歩進んで、矢状面における生物学的な膝、足首、つま先の主要な生体力学的機能を再現し、重量、サイズ、バッテリー寿命の点で従来のマイクロプロセッサ制御の義肢と同等のレベルを達成しました。

図｜トレッドミルと階段を歩く膝上切断者3名。 （出典：本論文）

論文によれば、この電動膝関節は、弾性ブレーキと可変トランスミッションの両方の利点を組み合わせた独自のトルク感知機構を採用している。

図｜膝モデルの主な電気・機械部品（出典：本論文）

さらに、互換性のあるアンダーアクチュエート機構を介して、単一のアクチュエータで足首とつま先の関節の両方に動力を与えることができます。

図｜足首モデルの主な電気部品と機械部品。 （出典：本論文）

装着者が歩くと、アンダーアクチュエーションシステムは大量の機械的エネルギーを再生するだけでなく、足首/足複合体の主要な生体力学的機能を再現します。

さらに、すべての機械部品と電気部品がコンパクトな義肢フレームに統合されているため、バイオニック脚の堅牢性と効率性が向上します。

図｜バイオニックレッグとバイオニックレッグモデルの主な電気・機械部品の実物写真。 （出典：本論文）

パッシブモードに切り替えると、バイオニックレッグは装着者が歩くたびに 2J の電気エネルギーを再生できるため、バッテリーが切れても無制限に歩行できます。現実世界では、切断者は充電器を持ってくるのを忘れたり、義肢を充電するのを忘れたりすることがあるため、これは非常に重要な機能です。これは、これまでのバイオニック脚の研究では不可能でした。

そのため、研究チームは、これらの特性を持つバイオニック脚は、高齢者や血管疾患を患い、重機を使用するのに必要な筋力とバランス感覚に欠ける人など、膝上切断者の実用的な移動能力を向上させる可能性があると考えています。

誰でも使えますか？

しかし、バイオニック脚は他の機械義足よりも優れた性能を示しているものの、まだ改善が必要な部分がいくつかあります。

たとえば、バイオニック レッグは足首とつま先の関節を個別に制御することはできず、足首とつま先のトルクの比率は固定されており、ユーザーのニーズや好みに応じて変更することはできません。

シミュレーション結果によると、より柔軟なスプリングは動的性能と電気効率を向上させることができますが、スプリングが長くなると足首とつま先の関節の可動範囲が狭まることも意味します。

さらに、アンダーアクチュエーション設計を採用した場合でも、つま先関節の追加によりバイオニック脚の重量が増加します。したがって、足指関節が臨床結果に与える影響を評価するには、足指関節の有無や、足首/足指のトルク比を変えた比較試験が必要です。

さらに、ほとんどのマイクロプロセッサ制御および動力付きの足首関節/義足と同様に、このバイオニック脚の設計には前頭面の作動機能がありません。前頭面駆動力の増加により義足のサイズと重量が増加する可能性があるが、特に斜面や起伏の多い地形を歩く際の臨床結果も改善される可能性があり、これをさらに検証するにはさらなる試験が必要である。

おそらく、誰もが使い方をカスタマイズできるようになるまでには、まだ時間がかかるでしょう。

論文リンク:

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abo3996