• はてなブックマークに追加
  • Yahoo!ブックマークに登録
電極チップで網膜を刺激して光、ロボットハンドを意思で制御 見える!動く! 人工眼とハイテク義手で人間が進化する
失明した人への人工視覚、手を失った人への筋電義手……。今、機械と人間を融合させた「バイオニックヒューマン」への技術が急激な進化を見せている。一昔前ならSFの「サイボーグ」と呼ばれた研究開発が、実用化まであと一歩のところだ。課題はまだ多いものの、その最前線を見てみよう。
(取材・文/総研スタッフ 高橋マサシ 撮影/平山諭)作成 日:11.09.12
人工眼とハイテク義手
筋電義手 脳から信号をセンサーで読み取り、ロボットハンドを動かす 横井浩史研究室
人間の意思で動かす15パターンの指と手首
 筋電義手とは筋電位を利用して動かす義手のことだ。前腕部から先を失った場合なら、その先にロボットハンドを取りつけて、指が動くようにする。なぜ動くのか。筋肉を動かすとき、脳から「筋電位」という微弱な電気信号(電圧)が発生する。一方、指を動かす筋肉は前腕部にある。ここの筋電位を測定・解析し、人の「運動意図」を読み取り、ロボットハンドに実行させるのだ。

 例えば、前腕部の拮抗する2つの筋肉の皮膚表面にそれぞれセンサーを貼りつけて、筋電位を測定し、ひとつのセンサーがONになれば手が開く、もう一方がONになれば閉じるようにして、モーターなどでロボットハンドを制御する。これで「握る」「離す」ができるので、物がつかめるようになるのだ。 ここで「思い通りに物がつかめるのか!」と驚いた読者はまだ現状を知らない。実はこうしたシンプルな動きをする義手は、すでに販売されているのだ。
大人用の筋電義手。背後にあるのがモーター
大人用の筋電義手。背後にあるのがモーター
電気通信大学 情報理工学研究科 知能機械工学専攻 横井浩史教授
電気通信大学
情報理工学研究科
知能機械工学専攻

横井浩史教授
 こうした研究の第一人者である電気通信大学の横井浩史教授は語る。
「より多くの動作を行える義手を開発しています。サーボモーターでワイヤーを動かし、指を曲げる、チョキの形を出す、手首を動かすなどの15パターン(静止状態を含める)です。これらを組み合わせれば、文字を書く、ドアを開ける、料理をつくるなどができるわけです。2005年から被験者の方に試してもらっています」

 ただ、人によって筋肉の大きさや配置が異なるし、皮下脂肪の厚みや汗のかき方でも筋電位の値が違ってくる。そのため、自分の意思とロボットハンドの動きを合せるために、実際に装着して「遊んでもらう」ようになる。若い人であれば、15パターンを覚えるのに短くて15分、長くて1時間程度で済むという。
 なぜそんな短時間で慣れることができるのか。そこには筋電位の周波数帯を利用した学習能力の付与がある。掌屈・背屈などの手首の動き、さまざまに指を曲げる動きなどで、筋電位の周波数帯に特徴が出てくるという。運動意図の差によるこのパターンを覚えさせ、個人差を重み付けして、多層ニューラルネットワークで因果関係を学習させていくのだ。
 また、上記の「握る」「開く」の義手であれば筋電位センサーは2つですんでも、15パターンという複雑な運動を実現するためには、たくさんの筋肉が強調して動いている状態をセンサーで取り出さなくてはならない。センサーの数は増えていくわけだが、それは実用的ではない。そこで横井氏はセンサーは2つのままで、ソフトウェアの情報処理で複雑な動作を行わせている。
触覚センサーで人間に感覚をフィードバック
筋電義手を装着して文字を書く様子
筋電義手を装着して文字を書く様子
筋電義手を装着して包丁を使う様子
筋電義手を装着して包丁を使う様子
 当然だが、筋電義手は万能ではない。例えば、キャッチボールで球を受け取るときの動き。下手でキャッチする場合、義手では5本の指が同じようなタイミングで曲がるのだが、人の場合は小指が最初に曲がるという。親指と小指の間で球の左右の振れを止め、次に腕全体も加えた前後の動きで確実につかもうとするためだそうだ。
「こうした『球握り』は日常生活でほとんどしないので、義手は円筒形のものをつかむような動きにしています。両者は指にかけている力は同じで、指が動く順番が違うだけ。このタイミングの差を出すことが現在の情報処理ではできない、できても優先順位が低いのです」
 先の15パターンを増やしていくことは可能でも、増えるほどその差を人間が制御することは難しくなる。その限界が15〜16くらいにあるのではないかと横井氏は考えている。そのため、この15パターンを確実に動作させる筋電義手の実用化を目指している。

 その一方で取り組むのは触覚センサーの研究だ。義手の指先などにセンサーをつけ、圧力を電気信号に変えて人体にフィードバックさせる。触覚があるとビビビと感じるような仕組みで、圧力が大きいほど強く伝える。すると、義手への出力と人体への入力で「出入力インタフェース」が出来上がる。
「触覚フィードバックを入れない場合と入れた場合の義手を、被験者に1カ月トレーニングしてもらって、脳の動きをfMRIで比較しました。すると、前者は目と手の連動を行っている分野が活動しているのに対して、後者にはそれが出ない。触ったことが感覚としてわかるので、視覚を使わなくてすむからなんですね。こうした内容も今後の開発に生かせると思います」
 また、脳卒中などで右手が動かない人の左手にセンサーをつけて、左手の動きを右手に伝えると、動かなかった右手がしだいに動くようになるという。機械を使うことで脳が刺激され、失った機能が回復されるのだ。こうした実験結果もリハビリなどに生かしたいと、横井氏は語る。
チップ、モーター、センサー……課題も山積
幼児用の筋電義手とその大きさ
幼児用の筋電義手とその大きさ
 一方では解決すべき問題も多い。例えばロボットハンドの動きを制御するチップは、、一般的なPC向けのものは使えない。計算能力は十分でも、サイズが大きく、消費電力も多く、熱を発生するからだ。小型軽量で低消費電力が求められ、冷却装置なしで動かす筋電義手には、総合力で高性能な1チップマイコンが最適なのだ。ただ、ある半導体メーカーで新型のチップが発売されており、利用できそうだという。
 また、サーボモーターは14関節を制御しているので14個を使う。力や速度はかなり向上しているが、問題は音だという。静音性が高いと値段が高価になり、実用化が難しくなる。また、現状ではモーターの部分をポシェットの中に入れて、腰につけるような形にしているが、将来的には義手の中に組み入れたいという。
 センサーにもダイナミックレンジ(小さい信号から大きい信号までの幅)とノイズの問題がある。筋電位は10マイクロボルト程度で、軽く動かすときは0.1〜1マイクロボルト。そのため、0.1〜100マイクロボルトまでのダイナミックレンジがないと、大人から子供まで使えないという。
「それでも、発光体の近くに腕を近づけると、家庭用の100ボルトからは減衰されるものの数十マイクロボルトくらいは来るので、それがノイズになって機能が停止する場合もあります。ダイナミックレンジが大きいほど、情報処理でノイズを除去して筋電位信号だけを取り出すことができるので、本当は増幅度を10万〜20万くらい欲しいですね」
幼児用の筋電義手で、「劣る」と見られる時代を変えたい
 実は日本では、筋電義手はほとんど普及していない。先のシンプルな動きの筋電義手は日本では年間10本ほどだが、アメリカで約4000本、ドイツでは約2000本が売られているという。海外に多いのは傷痍軍人向けが多く、国からの手厚い補助があるからだ。日本でも補助金は出るものの、海外製品を輸入するので価格は150万円程度とかなりの高額。日本で筋電義手の市場は形成されていない。
「困難ではありますが、将来的には1本10万円で販売したいと思っています。というのは、装飾用の義手が10万8000円なので、それ以下になれば爆発的な普及が望めるからです」

 より深刻なのは幼児向けの筋電義手だ。先天的な疾患による場合が多いので、当然傷痍軍人向けの保証もなく、その開発は海外でもあまり進んでいないという。横井氏はこの分野に積極的に取り組む。簡単に装着できて、重さを感じさせず、うまく使いこなせれば、筋電義手は人間の機能拡張につながるからだ。
右手の筋電位を読み取り、同じ動きを左手にさせる装置
右手の筋電位を読み取り、同じ動きを左手にさせる装置
 「子供なら新しい機械に慣れるのは格段に早い。小さいころからトレーニングすれば、健常者を超える機能を持つことも可能です。複雑な機能で専門性を高めれば、就労者としても認められますし、よりチャレンジングな人生を歩めます。腕を失って生まれてきた子供は健常者に比べて劣っていると見られますが、そんな時代を変えるのが私の目標です。その次が技術による日本の復権。技術者の誰もがこうした機械を作れるようになれば、日本は世界に冠たる技術立国に復帰できると思いますから」
人工視覚 カメラの映像を情報処理して、電極チップで網膜を刺激する株式会社 ニデック
非接触給電で体内に電力とデータを送り、「電光掲示板」を表示
 人工視覚にはいくつかの手法があるが、ニデックが行っているのは以下のようなものだ。網膜色素変性や加齢黄斑変性など、後天的な疾患などで失明した人が小型のカメラを装着する。カメラに写った映像を画像処理して、網膜近くにつけた電極のチップ(刺激電極アレイ)に電流を送る。それが網膜細胞を刺激して、電光掲示板のような点で表示される画像を視神経から脳に送る。現在の電極は縦横7列ずつの49個あり、これらで大まかな像を浮かび上がらせる仕組みだ。

 例えば、デジカメの画像は高精細だが、その情報を再現できるわけではない。画像を分割して、各部分の画像の数値の平均値や代表値を決めるので、いわばモザイクのようになる。この画像に応じて、マイクロアンペア単位の電気信号を生成して送るわけだ。
 人工視覚研究所の米澤栄二氏はこう語る。
人工視覚の仕組み
人工視覚の仕組み
人工視覚の仕組み
体内装置。伸びているのが刺激電極アレイ(左)と硝子体電極
「これは試験的な装置なのでかなり大きいのですが(上の写真参照)、額にバンドで取りつけたのがカメラで、写した映像をこのボックスで画像処理し、撮像データと電力をコイルで体内装置に送ります。体内装置は側頭部に手術で埋め込まれており、非接触給電でデータと電力を受け取ります。体内装置から伸びた細いケーブルの先に刺激電極アレイがあり、その電極が網膜細胞を刺激します」

 ただし、網膜を直接刺激はしない。網膜の外側には脈絡膜が、その上に強膜があるのだが、強膜に切り込みを入れてポケットを作り、その中に刺激電極アレイを差し込むのだ。これは大阪大学医学部が開発した脈絡膜上―経網膜刺激型(STS)と呼ばれる日本独自の方法で、手術時に網膜を傷つけるリスクが減る、大面積のデバイスが埋植できるなどのメリットがある。また、電流を回収する対向電極の硝子体電極も体内装置から伸びており、硝子体に埋め込まれる。
「ペースメーカーのように電極がひとつで、それこそペースをつくるだけの機器とは異なり、大きな電流で刺激するうえに電極が49個ありますから、体内に埋め込む形の電池で電力を賄うのは難しい。そこで現在では外部からの非接触給電を使っており、コイルと体内装置は磁石でつくようにしています」
安全性と耐久性を向上させた「弾丸形電極」
 ニデックは眼科医療機器や眼鏡機器の専業メーカーであり、人工視覚の研究開発を行う人工視覚研究所は2001年に設立された。現在のメンバーは十数名、機械設計、電気回路設計、IC設計、ソフト開発などの専門職に分かれている。米澤氏はもともと同社で半導体検査装置の開発をしており、2004年に嘱託として研究所に入った。主に電力、伝送、通信関係を担当している。

「現在では非接触で携帯電話に充電するなども始まっていますが、2004年当時は決して一般的ではありませんでした。十分な電力を効率よく送る必要があるのに、髪の毛があるので状態は不安定で、装置も小さくしなくてはならない。結構苦労しましたが、人工視覚は以前からやりたかったので楽しいですね。実は子供のころに見た、『600万ドルの男』というアメリカのドラマが興味のきっかけです(笑)」
研究開発本部 人工視覚研究所 主任技師 米澤栄二氏
研究開発本部 人工視覚研究所
主任技師
米澤栄二氏
研究開発本部 人工視覚研究所 主任技師 寺澤靖雄氏
研究開発本部 人工視覚研究所
主任技師
寺澤靖雄氏
 同僚の寺澤靖雄氏は、設立と同時に研究所に就職した初期メンバーのひとりだ。主に刺激電極の開発と評価をしており、担当した刺激電極アレイには独自の工夫を施した。
 海外の事例を調べてみると、刺激電極は半導体のフォトリソグラフィー技術で製造されるケースが多かったという。同じパターンのものを薄く、簡単に作れるからだ。しかし、すぐに溶けてしまうというデメリットも見つかった。生体内で電極がわずかながら溶けるのは避けられないことだが、せっかくの人工視覚が長続きしなくなる。
「それでは10年単位で人の体に入れるものには使えません。そこで微細な機械加工で電極を弾丸の形にしたのです。こうして厚みをもたせることにより、微量の溶出が問題となることもなく、長期的な信頼性を確保することができます。また、ある程度の高さがあることで、強膜の中にしっかり固定されるメリットもあります」
49電極を完成させて、実用化を目指す
将来的なメガネ型の装置
将来的なメガネ型の装置
将来的なメガネ型の装置
刺激電極アレイ(左)と硝子体電極
 電極の材質はプラチナで、高さは0.5ミリ、刺激電極アレイのサイズは約5ミリ四方だ。さまざまな条件から電極をもう少し小さくしたいと、現在は0.3ミリを目指して開発しているが、同時に強膜での固定方法や、必要な電流を流すための対策も行っているという。電極のサイズが小さくなると、刺激に必要な電流を流すのが難しくなるからだ。
 映像としてはっきりとわからせるには、電極の数が1000くらい必要と言われている。しかし、増やすほど刺激電流が広がって、滲んだような像になってしまうという。
「解決するには電極のサイズを小さくするのですが、ひとつひとつの電極がはっきり見えるようにするのは非常に難しい。ですので、まずは現状での製品化を計画しています。49の電極で動くものを今年度中に完成させて、評価を行って臨床に進み、できるだけ早期の実用化を目指しています」

 昨年は2人の被験者に、人工視覚のシステムを1カ月ほど埋植して使ってもらう、亜急性臨床試験を行った。視覚の状態はもとより、体内できちんと動くか、安全性に問題はないかなどを調べたのだ。その前には手術室内での短時間に電極で刺激する急性臨床試験を重ねており、この成功で亜急性臨床試験が始まった。その結果、被験者は光が確認でき、物が動いているのがわかり、物の移動を追うことができた。
 上記の亜急性臨床試験に使用した電極は49個あっても、回路につながっているのは9個。49本ものケーブルを体内に通せないことと、臨床試験ではシステムの稼働評価が目的だったからだ。今後は刺激電極アレイの前に、刺激電極を切り替えるマルチプレクサをつけて、少ない配線本数で稼働させる予定だ。寺澤氏が「まず49の電極を」と語った理由である。
 また、米澤氏が語ったように上の写真は試験用の装置であり、製品の段階ではメガネのような形にする予定だ。フレーム前面に超小型カメラを装着し、フレーム側面に制御回路を組み入れ、電池は小型のものを胸ポケットに入れる。亜急性臨床試験で使用した制御ボックスには一般的なCPUボードが入っているが、実際には使う機能が限られるため、FPGAに集約できるのだそうだ。
「生体インタフェースの最たるものが人工視覚だと思っています。それをもっと極めたい。でも、電極を溶液の中に入れて実験を行い、少しでも効果が高くなる方法を調べるなどもしています。地道な努力なんです(笑)」(寺澤氏)
「亜急性臨床試験では毎週データを取って見え方をお聞きしたり、流す電流の程度などを変えるのですが、肉眼では明るいか暗いかしかわからなかった方の視力がよくなり、ぼんやりと像がわかるようになったというのです。そのメカニズムはわかりませんが、『電光掲示板』だけでなく、眼の本来の機能を回復させる装置になり得るとしたら、ぜひ役立てたいですね」(米澤氏)
電極を溶液の中に入れた実験。その小ささがわかる
電極を溶液の中に入れた実験。その小ささがわかる
  • はてなブックマークに追加
  • Yahoo!ブックマークに登録
あなたを求める企業がある!
まずはリクナビNEXTの「スカウト」でチャンスを掴もう!
スカウトに登録する
高橋マサシ(総研スタッフ)からのメッセージ 高橋マサシ(総研スタッフ)からのメッセージ
昔、キャプテンハーロックというアニメで、もうひとりの主人公の台羽正が聞くんですね。「あなたの腕は義手なんですね」。するとハーロックが「いろいろあるさ」みたいな返事をするのですが……ハーロックの義手ができてるじゃん、ハーロックの片目はないけど、人工視覚を使えばいいじゃん! と思いました。ああ、なつかしい。

このレポートを読んだあなたにオススメします

操縦できる「ガンダム」、人間そっくりのアンドロイド…

ヒューマノイドを開発せよ!電気エンジニアの意外力

エンジニアに人気の高いヒューマノイドロボット。ただ、残念ながら開発に携われる人は少数派だ。そこで今回は電気系エンジニア…

ヒューマノイドを開発せよ!電気エンジニアの意外力

第3世代「EV3」が新発売!プログラマのスキルアップにも!

増井雄一郎が熱中するレゴ マインドストームの魅力

レゴ社とMITが開発した「レゴ マインドストーム」。各種センサー、サーボモーター、CPU、パーツなどが揃ったロボット開…

増井雄一郎が熱中するレゴ マインドストームの魅力

週刊 やっぱりR&D 求人トレンド解析室

ヒューマノイドロボ/世界を引っ張る日本技術の集大成

求人トレンド解析室近年、日本のロボット技術の集大成ともいえるヒューマノイドロボットが、マスコミをにぎわせている。現在はパフォーマンスロボ…

ヒューマノイドロボ/世界を引っ張る日本技術の集大成

週刊 やっぱりR&D 求人トレンド解析室

家電ロボット/いよいよ一般家庭にも普及近し?

求人トレンド解析室掃除機、洗濯機、留守番などの家電ロボット開発が急進中だ。高齢化社会もあり、実は家事全般の補助機能ニーズは現時点でもかな…

家電ロボット/いよいよ一般家庭にも普及近し?

EV、モーター、医療機器、スマートグリッド、発電プラント…

電気・電子系の注目7分野−求めるエンジニアとは?

話題の分野で必ず必要とされるのが電気・電子系のエンジニア。求人市場はリーマンショック以降で最高の盛り上がりを見せているという。今…

電気・電子系の注目7分野−求めるエンジニアとは?

僕たち私たちの転職忍者の術★31

バレないようにコッソリ転職活動したいでござる の巻

在籍中に転職活動をする場合、今の会社にバレないようこっそり慎重に進めたいもの。ときには家族や友人にも内緒で活動したいケ…

バレないようにコッソリ転職活動したいでござる の巻

この記事どうだった?

あなたのメッセージがTech総研に載るかも

あなたの評価は?をクリック!(必須)

あなたのご意見お待ちしております

こちらもお答えください!(必須)

歳(半角数字)
(全角6文字まで)
  • RSS配信
  • twitter Tech総研公式アカウント
  • スカウト登録でオファーを待とう!
スマートグリッド、EV/HV、半導体、太陽電池、環境・エネルギー…電気・電子技術者向け特設サイト

PAGE TOP