研究ハイライト

　開発開始から約10年を経て、生活動作支援ロボットcurara®（クララ）がいよいよ実用化のステージに入りました。衣服のように着るロボット＝ロボティックウェアをコンセプトに、信州大学繊維学部の橋本稔特任教授が2008年頃から零号機の試作を開始、2020年10月末報道陣を招いて、実質上5号機となる製品版のプロトタイプ「curara®WR-P」を披露。量産化を見据えた、ほぼ完成形のモデルで、現在は信州大学発ベンチャーAssistMotion（株）が事業化に向けた準備を進めています。
　2015年に始まった「歩行アシストサイボーグプロジェクト」は、体内埋め込み型の歩行アシストロボットの開発と同時に、すでに開発が進んでいたcurara®の実用化もミッションのひとつとして掲げてきました。事業最終年度である2020年に、ほぼ完成形となるモデルの開発に成功したことになります。
　「curara®WR-P」は、2017年に発表された4号機と同様、股関節と膝関節横に左右2つずつ、合計4つのモータとセンサを備え、背中にコントローラとバッテリーを背負い、それらをフレームとベルト類で体に固定する構造です。重量は約4キロ。フレームの改良、バッテリー重量の最適化を行った結果、4号機と比べ約1キロの軽量化を実現しています。また、4号機で採用していた脚の前面に回り込むフレームを排し、動きやすさを重視した直線型のフレームに回帰。より小型化し、体にフィットするよう形状やデザインも一新しました。
　「量産化を見据え、モータや減速機などの部品も見直しました。さらに、これまでは平面での歩行アシストのみでしたが、今回新しく『階段昇段』をアシストするモードも加わりました。これで、高齢者の負担となりやすい階段の上り下りといった動作へのアシストも可能となりました」と開発者の橋本特任教授。健常者であれば1人で着用できるうえ、着脱にかかる時間は1分程度。モードの切り替えやアシストの開始・停止などの操作は付属のタブレットで行い、フル充電をすれば1時間の連続駆動が可能です。

　2040年には３人に１人が高齢者になるとも言われます。当然自立歩行が困難な方も増えていきます。信州大学はこれらの社会的課題を背景に2015年から国の支援を受け、体内埋込型の歩行アシスト装置（サイボーグ技術）の開発を行ってきました。すでに開発中であった体外装着型のロボティックウェアcurara®の実用化と合わせて、体内埋込型のプロトタイプ製作までをまずはプロジェクトの目標としました。装着や持ち運びの手間、活動場所の制限などの課題を解決するもので、実現すればもちろん世界で初めてとなる試み。信州大学の特色ある先端研究、医療機器開発／脳神経疾患治療／運動機能評価技術（医学）とロボット／バッテリー／カーボン／ファイバー技術（工学・繊維学）を結集した日本初の医学・工学・繊維学分野の連携研究で、社会に大きなインパクトを生み、期待されるプロジェクトとなりました。

　体内埋込型技術が理想とされる大きな理由は3つ。そのひとつは「介護者不要」。歩行障害をサポートするロボットという概念では、現在はアシストスーツなどを「外部装着」する必要があり、高齢者や障がいのある方には、ひとりでの装着は難しく補助する方が必要でした。2つ目は「持ち運び不要」。例えば旅行など、遠くに行く際に、これまでのロボットスーツは大きな荷物として「持ち運ぶ」必要がありました。3つ目は「使用環境を選ばない」。例えばお風呂やプールでは、当然その都度、着脱の必要がありましたが、その面倒さから解放されます。これらは理想であり、究極形とも言われる新しい仕組みですが、この夢の技術を実現するためには、様々な課題もあります。特に、生体材料や医療機器の開発を専門にする、バイオメディカル研究所の齋藤直人所長（生体医工学）と、体外装着型のロボティックウェアcurara®の開発者である繊維学部の橋本稔特任教授（ロボット工学）、サイボーグ技術には不可欠といわれる、全結晶型二次電池の開発に、先鋭材料科学研究所の手嶋勝弥所長（無機材料科学）が中心となって進められました。
　骨髄内釘を埋め込むという手術は骨折などの処置として、整形外科では日常的に行われているものですが、それ以外のアクチュエータやコントローラーが安全に機能するか、関節がきちんと動くかなど、きわめてハードルが高い研究開発プロジェクトでした。各パーツの小型・軽量化・耐久性などはもちろん、スムーズな関節駆動方法の開発や生体親和性など人体との関連課題は山のようにありましたがひとつずつクリアを重ね、現在のコンセプトプロトタイプの完成に至っています。

　私は、口腔外科領域や整形外科領域の怪我や疾患について、コンピュータシミュレーションを用いて力学的な視点からの検討を行っています。特に、患者さんの骨組織の力学状態を解析することにより、整形外科領域の新しい治療方法を考案、疾患の原因を解明したいと考えています。
　本プロジェクトリーダー、齋藤教授から「体内に埋入したデバイスを駆動したときの骨の力学状態を調べて欲しい」との話をいただいた頃、当時構想されていたデバイスは、curara®の機構をそのまま体内に埋め込むイメージでした。
　しかし膝関節を詳細に観察すると、蝶番のように一つの軸で回転するだけではなく、関節面が回転しながらスライドする、という複雑な動きをしていることが分かります。curara®は、一つの軸で回転するモータを、体外にゆるやかに装着するのですが、このような複雑な動きをする膝関節に対して、一軸で回転するデバイスを骨にがっちりと装着すると、間違いなく関節が壊れてしまいます。
　こうした問題点を解決するいくつかのアイデアが挙がり、今回作成したプロトタイプでは左写真で解説するワイヤ方式を採用しました。これは、我々の関節が「筋が腱を牽引して駆動している」ことに基づいています。筋肉の駆動が不十分な患者さんの動作をアシストする手段として筋肉の駆動方式をまねているワイヤ方式は、非常に理想的であると考えています。

　筋肉が出力できる力や速度は非常に大きなもので、人工的にこれを再現することは現時点では難しく、今回試作したアクチュエータでは歩行に必要な筋力の100%を賄うことはできないため、あくまで高齢者の歩行をアシストする用途になります。
　我々のチームが開発した今回のデバイスに対し、その動作や制御の検証は橋本研究室と大学発ベンチャーAssistMotion（株）の皆さんが取り組んでくださいました。ワイヤ方式の場合には検知できる力の大きさや関節の途中でワイヤに加わる抵抗力の考慮など、curara®に比べて大幅に考慮すべき事案が多かったと聞いています。
　また、今後の難関でもある股関節への対応では、モータの回転軸を股関節の回転中心に対して移動可能なスライド方式を考案しました（図）。股関節は屈曲・伸展という身体の前後方向の大きな動きに加えて、内旋・外旋、内転・外転という３つの軸に対する回転運動ができる関節（機械工学ではボールジョイントと呼ぶ）であるからです。
　現時点では、屈曲・伸展だけはモータによるアシストを可能とし（アクティブ）、内外旋と内外転については生体の動きに追従できる仕組み（パッシブ）を考えていますが、既存のデバイスでは大型化してしまいます。現状では平面的な超音波モータを立体的にしたような新しいデバイスが実用化されると、サイボーグ用途にも期待できるのでは、と考えています。
　 デバイスの高性能化などまだ解決すべき課題は多々残されており、実用化にはまだ道半ば。さらに多くの分野の研究者の参入が必要と思われます。信州大学が得意とする医工連携テーマで一丸となって取り組み、今後も開発が発展することを願っています。