磁石で義肢を制御できますか？新しいロボットアームが障害者の「正常復帰」を助ける

トゥチョンクリエイティブ

最近、イタリアのピサにあるサンタナ大学のバイオロボティクス研究所のチームが、患者がまるで自分の手であるかのように操作できる新しいロボットハンドを開発した。そして、ロボットアームは患者に対してテストされ、成功しました。何人かの友人は、この偽の手は本当に本物の手のように使えるのかと尋ねました。

以前、脳コンピューターインターフェースについて話しました。以前のプログラムでは、脳コンピューターインターフェースについてお話しました。興味のある友達は見に行ってもいいですよ。簡単に言えば、脳コンピューターインターフェースとは、患者の脳に埋め込まれた電極で、電気信号を収集して患者の思考を分析し、その信号を取り付けられたロボットアームやその他の機械装置に送信して、書く、歩くなどの操作を可能にするものです。

しかし、今回は実際には脳とコンピューターのインターフェースではありません。結局のところ、脳コンピューターインターフェースは比較的複雑であり、現在のところ、それを埋め込むにはある程度の困難さとリスクが伴います。この新しいロボットアームを脳コンピューターインターフェースに例えるなら、「アームコンピューターインターフェース」と呼ぶべきでしょう。つまり、切断者の残存腕に「ソケット」が取り付けられるということです。

それはどういう意味ですか？

切断患者は両手を失っていますが、前腕の残った筋肉は以前と同じように脳によって制御されており、脳の指示に従って動きます。

これらの残存筋肉の動きは、その人の運動意図を反映します。つまり、切断手術を受ける前は、患者は自分の手で何でも掴むことができたのです。切断後、何かを掴もうとするとき、手はなくなっても、残った筋肉は以前と同じように動きます。この新しいロボットアームは、これらの残存筋肉の動きを検出して分析し、その「動作意図」信号をロボットアームに送信して、ロボットアームが動作を実行できるようにします。

具体的にどうやって制御するのでしょうか?

研究チームは、大きさが数ミリ程度の極小の磁石を使用し、切断された腕の残存筋肉にそれを移植した。筋肉が動くと磁石も一緒に動き、空間内の磁場が変化します。次に、特別なアルゴリズムを使用して、この変更をロボットアームへの指示に変換しました。この技術は、脳コンピューターインターフェースと比較すると、脳に電極を埋め込む必要がないため、よりシンプルで安全です。

実際、現在このタイプの義肢に関する研究は数多く行われており、そのすべてが切断端の筋肉を通じて直接手のさまざまな関節の動きを制御することを目的としています。どのように制御されるのですか?

ここで使用できる信号源を見てみると、基本的には筋肉だけなので、ここで使用される信号の大部分は筋肉によって生成される電気信号であり、これを筋電信号とも呼びます。しかし、筋電信号を使用する場合、外部信号によって干渉されやすいという欠点があります。博士課程の勉強をしていたとき、ラットの筋電図信号を測定する研究をしました。それは非常に困難であり、多くの妨害がありました。

今回取り上げる研究では、筋電図信号ではなく、筋肉の動き、収縮、弛緩を利用して、筋肉の断端の位置を動かすという別の手法を採用しました。しかし、実際にはこれには困難があり、定量的な測定が非常に困難です。そのため、磁石の使用に成功するのは特に容易ではありませんでした。

さらに、彼らの研究もロボットアームのように見えますが、従来のロボットアームとは大きく異なります。私たちの友人の多くは SF 映画を見たことがありますし、多くの科学技術博物館にも関連する展示があります。ロボットはロボットアームを遠隔操作してさまざまな操作を行うことができますが、従来のロボットは一般的に障害者向けに設計されておらず、ボタンやジョイスティックを使用して人が操作するものが多くあります。

しかし、この研究は異なります。このロボットアームは、障害者の「本当の手」として使用されます。障害者が音声制御や他のチャネルを通じて間接的に制御できるわけではありませんが、普通の手と同じように指差しや叩きができるので、素晴らしいです。

研究チームは6週間にわたって患者に義肢をテストした。患者たちは、水を注ぐ、缶を開ける、ドライバーを使う、ナイフで切る、ジッパーを閉めるなど、さまざまな形状の物体を比較的容易に持ち上げて動かすことができました。彼らは壊れやすい物を掴む強さも制御することができました。

この研究成果は、義肢科学の分野における大きな進歩であり、義肢の今後の発展を変えるために科学者が行った最先端の探究であると言えます。したがって、科学技術の発展により、ますます多くの障害者の問題が解決されてきました。テクノロジーを活用して障がいのある方を支援することで、障がいのある方も普通の人と同じように普通の生活を送れるようになることを願っています。将来的には、通常の競技に参加するために義肢を使用するアスリートのように、ロボットアームでピアノを弾くこともできるかもしれません。

2008年の北京オリンピックに、ブレードランナー、ピストリウスと呼ばれるふくらはぎのない障害者のアスリートがいたことを皆さんは覚えているでしょうか。彼はずっと昔にパラリンピックで優勝したことがある。 2008年には義肢を使って健常者オリンピックに出場し、一定の成績を収めた。確かに、このアスリート、ブレード・ウォリアーにとっては簡単なことではありませんでした。しかし、当時多くの科学者が彼の競技への参加に反対しました。なぜ？確かにここには倫理的なリスクが存在します。考えてみてください。もし機械的な補綴装置が本当に身体本来の器官に取って代わり、それでも良い結果を達成できるのであれば、言い換えれば、人々が機械装置の助けを借りてパフォーマンスを向上させることができるのであれば、一部の人々がこの方向で取り組むよう促される可能性があります。金庸氏の小説「血染めの剣」を見てみましょう。五毒のリーダーである何鉄寿が武術を修行するために自分の手を切り落とし、代わりに鉄の鉤をつけたという話です。人間の体の一部を機械に置き換えたサイボーグが登場するSF映画も数多くあります。自分の良い歯を使いたくないために、金歯に取り替えることを主張する人もいます。

実際、多くの科学技術の成果には2つの側面があると言われています。うまく使えば人類に利益をもたらすでしょう。しかし、適切に使用されなければ、科学的な倫理的問題が容易に生じてしまいます。将来、義肢の科学が急速に発展し、生産される義肢が本物の義肢よりも優れ、より多くの機能を持つようになれば、私たちは科学的、倫理的な問題をいくつか解決する必要に迫られるかもしれません。しかし、私たちの関連技術はまだそのレベルまで発達していないので、現時点ではあまり心配する必要はありません。したがって、この研究は人類、特に一部の特別なグループにとって大きな意義を持っています。

この記事は科学普及中国創造育成プログラムの支援を受けた作品です。

著者: 張玉志

査読者: 劉志成 首都医科大学 バイオメディカル工学部 学部長/教授

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司