新たな研究によると、ロボットブーツは人のバランス能力の改善に役立つ可能性があります。
研究チームは、動力付き外骨格と義肢が、人がバランスを崩した際に助けになるか、あるいは妨げになるかを検証しました。
人間の反射神経を上回るようにプログラムされたことで、被験者が体勢を保てることが分かりました。
高齢者や、脳卒中または脊髄損傷のある人のバランス問題を支援する第一歩になると、研究者らは述べています。
基本的な考え方
人間を超える反射神経を備えたロボットブーツは、バランスを助けることができます。私たちの新たな研究により、バランスを高める鍵は、人間の反応時間よりも速く動けるブーツにあることが示されました。
人が滑ったりつまずいたりした際、バランスを取り戻すための反応は、一部の機械が動作できる速度よりはるかに遅くなります。人間や脚を持つ他の動物にとっては、時間がかかります生体のセンサーが信号を神経系に送り、その後筋肉を作動させるまでに。ロボットは神経の代わりに配線を使って信号を送るため、はるかに速く動くことができます。
しかし、ロボットは人間がバランスを崩された際の反応を再現できないため、依然としてバランス制御が非常に苦手です。私たちは生体力学の 技術者およびリハビリテーション 生理学の研究者であり、運動の神経生理学を研究しています。本研究では、動力付き下肢外骨格や義肢といったウェアラブルロボットが、通常の基準を超えてバランスを改善できるかどうかを検証しました。
電動式の床を使い、健康な若年参加者の足元から文字通り「敷物を引き抜く」ようにして、体を地面に向かって前方に倒しました。参加者には足を固定したままバランスを保つよう求めましたが、滑りが大きい場合は、地面に顔から倒れ込むのを避けるために一歩踏み出す必要がありました。その後、エクソブーツが参加者の自然な反応と同じ遅延、あるいは人間には不可能な速さで補助を与えるようプログラムし、エクソブーツによる補助を一切与えない場合と比較しました。
人間の反応を上回るモードだけが、利用者のバランス回復を早め、一歩踏み出して回復する必要をなくしたことは、驚くべき結果でした。
同時に、エクソブーツの「テストパイロット」の生理学的反応を記録し、この装置が基礎的なバランス反応を模倣しているのか、あるいはそれを妨げている可能性があるのかを調べました。超音波を用いて皮膚の下を観察し、滑りの際にふくらはぎの筋肉がどのように伸びるかを確認しました。筋肉の伸張は、神経系がバランス反応を開始するために必要な重要な感覚信号を生み出します。
人間を上回るエクソブーツのバランス反応によって、実際にふくらはぎの筋肉の伸張信号は消失しましたが、神経系全体の反応として同じ筋肉に送られる制御信号は持続しました。この発見は、神経系が局所的な筋肉の伸張に反応するだけの単純な反射の集まりではなく、身体全体から情報を集め、直立を保つために、両方の立位と歩行で機能していることを示しています。
重要性
人は通常、バランスを当たり前のものとして捉えがちです。しかし、一歩ごとに転倒の可能性があり、重大な転倒は健康悪化の主要な原因となっており、人が年を重ねると特に深刻です。もし研究者が、移動の際にバランスを改善する支援技術を開発できれば、転倒を防ぎ、人々がより長く活動的でいられるようになるでしょう。
分野における他の関連研究
歩行を支援するためのウェアラブルロボット、特にバランス支援は、長年科学者や技術者にとっての夢でした。しかし、これまでの研究は主に、より速く、より長く歩くことを容易にするための動力支援の提供に焦点を当ててきました。いくつかの有望な研究室ベースの研究用デバイスを除けば、ウェアラブルロボットの分野はバランスにあまり注力してこなかったのです。
過去10年間の技術の進歩により、バランスを改善する最先端のウェアラブルロボットの新たな可能性が開かれました。世界中の他の研究者も、既存の外骨格システムを、バランス支援のために生物学に着想を得た制御アルゴリズムを用いて適応させており、いずれは人間の反射反応よりも速く応答できるようになる可能性があります。
今後の展望
本研究は、バランスに問題のない若年成人が、制御された実験室環境で単純な直立立位課題を行う際に、外骨格がバランスを改善できることを示す概念実証です。日常生活でウェアラブルロボットがバランスを助け、高齢者や脳卒中、脊髄損傷などのバランス障害を持つ人々の生活を改善できるようにするには、まだ多くの課題があります。今後の研究では、膝や股関節など他の下肢関節における外骨格の活用を検討し、転倒リスクを予測してパーソナライズされた超人的バランスを可能にする人工知能を開発する必要があります。
