バイオエンジニアリングでロボット義肢が自然に感じられる

March, 18, 2025, London--インペリアル(Imperial College London)の研究者たちは、手の動きと脳の間の信号を解読し、より自然な感覚の義肢への道を切り開いた。

Science Roboticsに掲載されたこの研究では、研究者は手の動きのパターンと脊髄の運動ニューロンからの制御パターンとの間の関係を明らかにした。研究チームは、筋肉が収縮するときに筋肉から電気信号を拾う技術を使用して、これらのパターンを解読することができた。次に、同じパターンをソフトロボットハンドのアクチュエーターに適用して、人間の自然な動きと制御を模倣できるようにした。

研究者の目標は、現在の義肢モデルに代わるものを見つけることだった。義肢は、動きや制御のニーズに「自然な」方法で反応しないために、ユーザから見捨てられることがよくある。

チームは、3人の義肢ユーザとともに、革新的なデザインをリアルタイムのシナリオでテストした。この試験では、現行モデルと比較して、ユーザがより直感的に義肢を制御でき、物体の把持や操作などの作業を簡単に行えるようになったことが示された。

インペリアル・カレッジ・ロンドンのバイオエンジニアリング学部のDario Farina教授は、「バイオエンジニアリングとロボット技術を組み合わせるという革新的なアプローチは、義肢の新時代への扉を開いた。 われわれのソフトロボットハンドが提供するような自由と自立の手足の増加は、そのような技術に依存している世界中の何百万人もの人々にとって変革をもたらす可能性がある」とコメントしている。

Farina教授は、ジェノヴァのイタリア工科大学のAntonio Bicchi教授と共同で、欧州研究会議の資金提供を受けたプロジェクト「ナチュラルバイオニクス」に参加した。

脊髄運動ニューロンと運動の相乗効果の解読
この研究は、この文脈では、体がタスクを実行するために使用する筋肉活動と関節の動きの調整されたパターンを指す「相乗効果」に焦点を当てた。われわれが動くとき、様々な筋肉や関節がよく整理された方法で連携して、スムーズで効果的な動きを生み出す必要がある。例えば、物に手を伸ばすと、腕、手、指が協調して物をつかむ。この調整はランダムではない。それは、脳と神経系が組織化し、解読できる特定のパターン、または「相乗効果」に従う。

研究チームは、脊髄運動ニューロンのレベルでの相乗効果と手の行動のレベルでの相乗効果が関連していることを発見した。つまり、われわれが手を握ったり動かしたりする方法は、神経系の特定のパターンにまで遡ることができるということである。これらのパターンは、筋肉の動きを制御する脊髄神経細胞の活動によって生成される電気信号を読み取ることによって検出可能である。これらの信号を解読することで、科学者は神経細胞のどの特定のグループが多様な手の動きに関与しているかを特定できる。

中枢神経系がバイオニック義肢を「自然」と認識するためには、義肢が人間の手足と同じように環境と相互作用することが不可欠である。さらに、新しいシナジーベースの制御と姿勢シナジーベースの義手の組み合わせにより、人間の器用さを模倣することができる。 これにより、研究者たちは、感覚運動の相乗効果の理論とロボット技術を組み合わせて、同じパターンを使用して制御できるバイオニックハンドの設計に取り組んだ。

人間の器用さを模倣する
バイオニックハンドは、はるかに多くの自由度を制御する2つの作動度でも設計されている。アクチュエーションは、2つの姿勢または相乗効果を制御し、それらを線形に組み合わせて2次元空間で無限の姿勢を得ることができた。この組み合わせにより、人間の手足の機能性と流動性を忠実に模倣した義肢が誕生し、より自然な動きと協調的な制御が可能になった。

共同筆頭著者でインペリアル大学バイオエンジニアリング学部の研究員Dr. Deren Barsakciogluは、「われわれの研究は、自然に見えるだけでなく、直感的に使える義手を作ることを目指している。自然な手の姿勢に触発されたデザイン要素と、相乗的な神経信号を解読する制御システムを統合することで、ユーザの日常生活の質を向上させるための重要な一歩を踏み出している」と話している。

将来的には、研究チームは、これにより義肢がさらに自然に感じられるようになり、この発見により、人間とロボット部品を新しい方法で統合する道が開かれ、義肢以外の幅広いアプリケーションに利益をもたらす可能性があると考えている。