パラリンピックの聖火ランナーとロボットの腕と脚

北京パラリンピック冬季競技大会の聖火リレー最終日、午前中の聖火ランナーたちには特別なことがあった。上肢駆動型外骨格を装備した女性の聖火ランナーは彭圓圓と名付けられ、機械の手に聖火をしっかりと握っている。もう一人の聖火ランナーは楊淑婷（ヤン・シュティン）という名前で、腰の機械的な付属品にトーチを挿入し、下肢を動力とする外骨格を使って立ったり歩いたりする。

女性聖火ランナー2人が外骨格の力を借りて聖火を渡す｜オリエンタルIC

イベントの関係者によると、彭圓圓さんは自律的な把持を実現するために、外骨格装置を使った適応訓練を9か月間受けたという。一方、下肢麻痺を患うヤン・シュティンさんは、下肢外骨格を装着して5か月間「慣らし運転」を行い、今では直立歩行が可能となり、無事にバトンを渡すことができた。

これらの複雑な機械構造は、聖火ランナーとの調和のとれた「共生」関係を実現しました。これらの機械装置は、人間の機能の自然な延長のように、聖火ランナーが行いたいが肉体ではできない動作に迅速に対応できます。

2014年ブラジルワールドカップの開会式では、麻痺した10代の少年が脳制御の外骨格の助けを借りて試合を無事に開始した。

脳制御の外骨格を装着した麻痺したティーンエイジャーがスタイリッシュにゲームを開始 |ビデオのスクリーンショット

外骨格は何も新しいものではありません。人類は1960年代にこの技術の探究を始めました。

ウェアラブルロボット

人間の骨格は皮膚と筋肉で覆われており、内骨格と呼ばれます。カニやサソリなどの節足動物の骨格は、体の表面に「露出」しています。この分節された硬い外殻は外骨格と呼ばれます。この生物学用語は、後に人体に取り付けられたメカトロニクス装置を直接指すために使用されるようになりました。

簡単に言えば、外骨格とは、ユーザーの身体をサポート・保護し、人間の機能を補完できる着用型ロボットです。また、センサーを通じてユーザーの動きの意図を「読み取り」、ユーザーの動きを補助したり増幅したりすることで、人間の機能を強化することもできます。

例えば、足を失った人は下肢外骨格を装着することで立ったり歩いたりできるようになります。普通の痩せた人でも、外骨格を装着することで重量挙げのチャンピオンよりも重いものを持ち上げることができる。

外骨格技術の研究開発は 1960 年代に始まりました。代表的なプロジェクトは、米国国防総省の支援を受け、ゼネラル・エレクトリック社とコーネル大学が実施した「ハーディマン」である。彼らは、兵士が重い物を持ち上げるのを助けるための外骨格のプロトタイプを作成した。これは人間の力を25倍に増幅することができ、110キログラムを持ち上げるというのは大きなリンゴの袋を持ち上げるのと同じである。

ハーディマンプロトタイプ |ネットワーク

ハーディマン外骨格の持ち上げ限界は682kgですが、外骨格自体の重量は680kgです。これは、複雑な金属ジョイント、28 個のリンク、油圧および電気駆動、および力フィードバック感知システムを備えた全身外骨格です。このような巨大な装置は、1秒間にわずか0.76メートルしか移動できません。応答速度も保証できません。通常、肩関節は動くものの、肘は動かないため、集中力が失われます。これは軍事シナリオにとってはまさに災難です。多くの科学研究機関は現在の技術の限界を認識しており、下半身麻痺患者用の直立外骨格の設計や電動義肢の開発など、医療リハビリテーションのシナリオに目を向け始めています。

外骨格は、ある技術の「単独戦闘」ではなく、高度に統合されたコンピュータ技術、センサー技術、人間と機械の連携、エネルギー技術の産物です。 2000 年までに、外骨格に必要な技術は飛躍的な進歩を遂げました。米国防高等研究計画局（DARPA）が資金提供しているプロジェクトBLEEXから判断すると、コンポーネントは大幅に小型化され、より柔軟でスマートになった。

BLEEX エクソスケルトン｜Wevolver

同時に、外骨格も研究室の外へと動き始め、ReWalk、CYBERDYNE、Ekso Bionicsといった代表的な企業が次々と設立されました。外骨格製品は、軍事協力、医療リハビリテーション、災害救助、工場製造などのシナリオをカバーします。

外骨格には何が入っているのですか?

外骨格は人間に取り付けられた「生命」のようなもので、感知、制御、駆動が可能な非常に完全なシステムを備えています。また、「脳」として機能するコンピューター、人間の骨格をシミュレートする機械構造、筋肉をシミュレートするアクチュエータも備えています。

外骨格ロボットを駆動するには、通常、バッテリー、燃料、内燃エンジンが使用されます。現代の外骨格は通常、感知、制御、作動、機械システムと精密に統合されています。体中に分散されたセンサーが、体の姿勢、筋力、動作の傾向などの情報をリアルタイムで収集し、デバイスに内蔵されたコンピューターまたはコントロールセンターに送信します。 「脳」は分析を開始し、身体の意図を決定して外骨格コンポーネントを駆動します。通常はモーターと油圧を介して機械を駆動し、対応する動作を生成します。

実際の患者を例に挙げると、昨年10月にWeiboユーザーの@几木朵_さんが外骨格の助けを借りて歩行を試みる動画を撮影し、激しい議論を巻き起こした。彼女は、12年前に医師から一生麻痺が残ると宣告されたと語った。当時、彼女は立ち上がるときにスタンディングベッドに頼るしかありませんでした。彼女が下肢外骨格を試し始めたのは昨年になってからで、長い間忘れていた自力で歩く感覚を再び体験することができた。 「ベッドから降りた後も泣き続けました。」

Weibo ユーザー @几木朵_ の Weibo

動画からわかるように、太ももに近い機械関節に加えて、肘掛けと下部の滑車もあり、後者は彼女の体を支えることができます。センサーはまず彼女の力の方向と姿勢を判断し、次に彼女の最初のステップの動きに適応します。さらに、リハビリ訓練に使用されるこの外骨格は、「拘束訓練」や「抵抗訓練」といったモードも提供します。前者では、患者はプログラムによって設定された手順に従い、徐々に振幅を増やす必要があります。後者では、患者は機械によって加えられる抵抗に逆らって運動する必要があり、それによって下肢が鍛えられ、運動神経が継続的に刺激されます。

ブロガーによれば、この外骨格の価格は「10万元以上」とのこと。世界中の他の市場でも、医療リハビリテーション用外骨格の価格は通常高いです。 CYBERDYNE 社の HAL 5 の価格は約 2 万ドルですが、Ekso 社の HAL 5 は 10 万ドル以上します。

コストが高いのは、外骨格システムがまだ革新的な設計上の進歩を遂げていないことに関係している。現時点では、外骨格の構造は依然として重く複雑であり、持続的な出力能力は製品の体積と正の相関関係にあります。つまり、現在の技術ではこれ以上の小型化・軽量化は実現できず、人体への負担は依然として大きいということになります。

下肢外骨格を装着した少女｜インターネット

「外骨格の最大の問題は安全性です。安全性の問題が解決されて市場に投入されれば、コスト、エネルギー、材料などの問題は徐々に解決されるか、妥協されると思います。最も重要な安全性の問題は、バランスと二次的な傷害の可能性です。」リハビリテーション用外骨格をテーマとした5年間の博士論文を執筆した研究者がZhihuに記事を投稿した。

スポーツイベントの発展

外骨格をより軽く、より小さく、より快適で、より安全なものにするために、科学者たちはその改良方法を積極的に模索しています。たとえば、カリフォルニア工科大学と清華大学の研究者はアルゴリズムから始めました。 2020年に彼らは「COSPAR」と呼ばれるアルゴリズムを提案した。これは、ユーザーのフィードバックに基づいてモデルを更新し、それを使用して新しい試行の動作を選択し、フィードバックを誘発し、最終的に患者が好みの歩行を見つけて快適性を向上させるのに役立つ。

一部の研究者は、ユーザーの動作意図を取得するために非侵襲性の脳コンピューターインターフェースの実験も行っており、これは外骨格と人体がより直接的に相互作用できるようにすることを意味します。 DARPAは2011年に「The Warrior Web」プロジェクトを立ち上げ、柔軟な外骨格はより軽量で快適であり、機能的な衣服と組み合わせたシステム設計により、着用者の機動性、活動の質、持久力が向上し、連続着用時間が延長されると指摘した。

DARPAの「Warrior Loom」｜DARPA

科学的研究に加えて、スポーツイベントも外骨格の進化を推進しています。

マラソンについては聞いたことがあるかもしれませんが、サイバスロンについては知らないかもしれません。サイバスロンは2016年にチューリッヒのスイス連邦工科大学によって開始され、2016年と2020年に2回の大会を成功裏に開催しました。サイバスロンでは、障害を持つアスリートが機械義肢、脳コンピューターインターフェース、外骨格などの周辺機器を使用して競技を行うことができます。 2020年の大会では、脳コンピューターインターフェース競技、機能的電気刺激サイクリング競技、電動義手競技、電動義足競技、電動外骨格装置競技、電動車椅子競技の6つの主要競技が予定されていました。いずれの業務も障がい者の日常生活に密着しており、関連分野の研究の進捗を示すことに重点を置いています。

サイバスロン｜CGTN

参加者は階段を上る、料理をする、ビデオゲームをするなどのアクションを完了する必要があります。最も短い時間で最も多くのタスクを完了した人が勝者になります。主に人体の運動能力をテストするパラリンピック（選手は市販の器具のみ使用が義務付けられている）とは異なり、サイバスロンは技術革新の追求を重視しており、選手は最新開発のパワーアシスト器具を使用することができます。

サイバスロンの創始者であるロバート・リーナー教授は、この競技会を開催した当初の意図を次のように振り返った。研究室で開発された支援技術は非常に先進的だが、日常生活で克服すべき困難が多すぎる一般の障害者には間に合わない、と。彼は、サイバスロンが障害者支援システムの開発と学術交流を促進し、研究室と企業が互いに競い合い刺激し合うことで、より低コストで技術的に進歩した義肢や外骨格を「生み出す」ことを期待している。

この観点から見ると、オリンピック、パラリンピック、サイバスロンはすべて人間の限界への挑戦です。また、ロボットアームを使って電球を取り付けたり、車椅子から立ち上がって珍しいステップを踏んだりする出場者を見ると、感動するでしょう。

参考文献

[1] エネルギードレッシング：仕事中の外骨格 https://sportnews.blogdady.com/energy-dressing-exoskeletons-on-the-job/

[2] サイバスロン：世界初の「バイオニックオリンピック」が準備中 https://www.bbc.com/news/technology-37196860

[3] ウォーリアーウェブ、パフォーマンス向上スーツの実現に近づく https://phys.org/news/2013-08-warrior-web-closer-performance-improving-reality.html

[4] 外骨格ロボットの将来はどこに向かうのか？ https://mp.weixin.qq.com/s/LHmLkmlBEu9LUkji_1xT6w

[5] 外骨格の助けを借りてバトンを渡す！先ほど、冬季パラリンピックの聖火が冬季オリンピック組織委員会の公邸に到着しました https://www.takefoto.cn/news/2022/03/04/10050159.shtml

[6] ZhihuユーザーSimplewayの質問「なぜ外骨格産業は普及する前に衰退したのか？」に対する回答https://www.zhihu.com/question/304939541/answer/809791972

著者: biu

編集者: 嘘つき虫

企画：Guokr Technology Group