未来を担う着るロボットの開発〜信州大学と繊維研究〜

産業用ロボットとロボティックウェアの制御の考え方は大きく異なります。産業用ロボットは前もって決まっている軌道に対してスピーディーかつ正確に追従すればよいのに対し、ロボティックウェアは予測不可能な人の動きに合わせながら補助力を出する必要があります。これは本当に大きな違いです。基本的な制御技術は同じでありながら、何に重点をおいて制御するかが異なるのです。ロボティックウェアの場合は人の動きに合わせることが重要なのです。

ロボティックウェアは人が必要とする運動を抑制せずにアシストすることが求められているのです。通常のウェアラブルロボット（ロボティックウェア）は人の周りに人とは構造の違うロボットが1台いるという感覚です。つまり、骨や筋肉の代わりに、金属や樹脂製のリンクと、それを動かすモーターを人体の外側に取り付けることで、ロボット自身の動きで人の身体を動かすという「外骨格型構造」を持っています。それに対して、現在、我々が研究しているロボティックウェア「curara®（クララ）」は、衣服のようなロボットです。要するに、衣服のように人の骨格系を利用することで形状を維持し、ロボットとしての機能も発揮できる「非外骨格型構造」ロボット。言うなれば、動く衣服、力を出す衣服です。従来の外骨格型構造では人の運動が拘束されてしまい、まっすぐに動く動作には対応できるもののスムーズに曲がれないといった欠点がありました。しかし、非外骨格型の場合は衣服のような形状で人に力を伝えていくことで、より使いやすいものになっています。curara®にも回転力によって関節の動きをアシストするモーターを使っていますが、今後さらに衣服に近づけるためには、繊維を用いて補助力を出すことも考えています。

「非外骨格型構造のロボットにはデメリットもあります。人が背負わなければならないので、必然的に軽量化しなければならない点です。そこで、軽量化のために電圧を加えると変形する高分子ゲル（ポリ塩化ビニルゲル）を用いた収縮型ソフトアクチュエータ（駆動装置）を利用することを考えています。これは高分子ゲルを電極で挟み、陽極にメッシュ（編み目）形状を有する電極を用いたアクチュエーターで、電圧をかけることでメッシュの隙間にゲルが侵入して厚みが縮まる力を利用したものです。筋肉のように縮まる力が関節の動きをアシストし、脳卒中などで身体機能が麻痺した人などの歩行を補助します。つまり、人工筋肉の創製を図っているのです。ロボットは堅いイメージがありますが、人工筋肉は布のように柔らかく、電圧を調整することで人の筋肉のように滑らかな動きができます。筋収縮のような動きも見られるので、触ると心臓が動いているような感覚を覚えます。ただ、現状ではまだ厚みがあるので、今後はさらに布のように薄く軽量化し、より力を増すように改良していきたいと考えています。これが実現すれば、着るだけで身体機能をアシストできるロボットが完成するのです。繊維の未来はまさにここにあると感じています。

そもそも、人の動きに合わせたロボット研究を行うようになったきっかけは、2005年に行った人とロボットの握手の実験でした。人と人が行う握手という行為をロボットで再現できるかを研究したのです。しかし、握手はリズムや手の振りの大きさに個人差があり、前もってロボットに握手の軌道をインプットしても、人と人のようなスムーズな握手ができません。人はお互いに相手の動きやリズムを同調させながら握手をすることができるのです。ここから、人とロボットの間の相互作用力を検出して神経振動子を使う発想が生まれました。
また、介護の現場など、人が人をアシストする場合には、無理やり相手に力を加えるのではなく、相手の動作に合わせたタイミングで手助けをします。つまり、人の動きに合わせる（同調する）というのは、自然に出てきたアイデアです。
これまでロボットは人の代わりに作業を行うものとして、ただ黙々と動けばよかったのです。しかし、神経振動子を用いることで、ロボットは相手の動作の速度やリズム、振幅の大小に応じた動きが可能になりました。このように神経振動子をロボットに採用したのは私が初めてではありませんが、人とロボットのインタラクションや人をアシストする新しい視点で使ったのは我々が初めてだと自負しています。

モーターについても説明します。モーターはロボットを制御するうえで一番基本的な機能であり、使うのは当然の流れです。まず人の動きに合わせるロボットを創ろうと思ったら、現状ではモーターがもっとも使いやすいものになります。ただ、モーターは高速で回転しますが、それを50分の1から100分の1に減速する必要があります。また、減速することで力を増幅させることができます。そのため、curara®のモーターにはハーモニックドライブ®（�ハーモニック・ドライブ・システムズ社の登録商標）減速機というものをつけ、その中に「ひずみゲージ」とよばれる、ひずみ測定のための薄いシート状の力覚センサーを設置することで、ロボットと人の間に生じる相互作用力をわずかな電圧変化として検出しています。 検出された電圧は神経振動子入力され、次にロボットが動くべき軌道が算出されて同調制御をします。全く動けない人にcurara®を装着した場合はcurara®自身も動きを持っているので、人との同調性（ロボットと人間のリズムの合わせ具合）を低くすることで人に補助力を加えることができるようになります。

ただ、モーターには大きさや重さの問題があるので、将来的には電極を使ったゲル化も念頭に置きながら、モーターと同じような機能を持ち、且つ、軽量で柔軟なものが開発できれば、衣服のように自然に着られるロボティックウェアが可能になるでしょう。
また、より人の意志に添った動きを実現するためには、curara®をいかに身体に固定させるかが重要になってきます。外骨格型の場合は比較的、人との結合がラフでもよいのですが、非外骨格型を採用しているcurara®は人に取りつけることで人との微妙な相互作用力を検出しなければならないからです。そこでcurara®に搭載されたリブとかカフとよばれる固定部分が重要な役割を果たします。この機能にさらに衣服のデザイン技術を持ち寄ることで、３次元の人体モデルに合わせた固定方法を導き出せるのです。その設計はこれからですが、現状では人の身体に這うようにぴったりと取り付けられるものが実現できています。
いずれにせよ、めざしているのは、モーターを使ったとしても「衣服のように着られる」こと。しかも靴を履くぐらいに気軽な感覚で着用できることです。ウェアラブルロボットには、筋電位を検出するために心電図のような電極を身体に貼る必要があるものもありますが、準備だけで長時間を要します。もし簡単に着られるものが実現できれば、特別な用意をせずともすぐに使えるようになるのです。