バイオメカトロニクス

バイオメカトロニクスは、生物学とメカトロニクス（電気工学、電子工学、機械工学）を統合することを目的とした応用学際科学です。また、ロボット工学や神経科学の分野も含んでいます。バイオメカトロニクスデバイスは、義肢の開発から呼吸、視覚、心臓血管系に関するエンジニアリングソリューションまで、幅広い用途をカバーしています。^[1]

バイオメカトロニクスは人体の仕組みを模倣しています。たとえば、歩くために足を持ち上げるには、4 つの異なるステップが必要です。まず、脳の運動中枢からのインパルスが足と脚の筋肉に送られます。次に、足の神経細胞が情報を送信して脳にフィードバックし、地面を歩くために必要な筋肉グループや力の量を調整できるようにします。歩行する表面の種類に応じて、異なる量のエネルギーが適用されます。次に、脚の筋紡錘神経細胞が床の位置を感知し、脳に送り返します。最後に、足を上げて歩くと、脚と足の筋肉に信号が送られ、足を下ろします。

バイオセンサーは、ユーザーが何をしたいか、またはユーザーの意図や動作を検出します。デバイスによっては、ユーザーの神経系 または筋肉系によって情報が中継されることがあります。この情報は、バイオセンサーによって、バイオメカトロニクス デバイスの内部または外部に配置できるコントローラーに関連付けられます。さらに、バイオセンサーは、手足とアクチュエーターから手足の位置と力に関する情報を受け取ります。バイオセンサーにはさまざまな形式があります。電気活動を検出するワイヤー、筋肉に埋め込まれた針電極、神経が通る電極アレイなどがあります。

機械センサーの目的は、バイオメカトロニクス デバイスに関する情報を測定し、その情報をバイオセンサーまたはコントローラーに関連付けることです。さらに、ケース ウェスタン リザーブ大学、ピッツバーグ大学、ジョンズ ホプキンス大学などの学校では、物理的刺激を記録し、それをニューロメカトロニクスと呼ばれるバイオメカトロニクスのサブ領域用の神経信号に変換することを目的として、多くのセンサーが使用されています。

バイオメカトロニクス デバイスのコントローラは、ユーザーの意図をアクチュエータに伝えます。また、バイオセンサーと機械センサーからユーザーへのフィードバック情報を解釈します。コントローラのもう 1 つの機能は、バイオメカトロニクス デバイスの動きを制御することです。

アクチュエータは人工筋肉でも構いませんが、制御入力に基づいて外向きの効果をもたらすシステムのどの部分でも構いません。機械式アクチュエータの場合、その役割は力と動きを生み出すことです。デバイスが矯正器具か人工器具かによって、アクチュエータはユーザーの本来の筋肉を補助したり置き換えたりするモーターになります。このようなシステムの多くは、実際には複数のアクチュエータを必要とします。

バイオメカトロニクスは急速に成長している分野ですが、現在のところ研究を行っている研究室はごくわずかです。バイオメカトロニクスの研究をリードしているのは、シャーリー・ライアン・アビリティラボ（旧シカゴ・リハビリテーション研究所）、カリフォルニア大学バークレー校、MIT、スタンフォード大学、オランダのトゥエンテ大学です。現在の研究では、3 つの主要分野に重点が置かれています。

1. 複雑な人間の動作を分析し、バイオメカトロニクス機器の設計に役立てる
2. 電子機器を神経系とどのように接続できるかを研究します。
3. 生きた筋肉組織を電子機器のアクチュエーターとして利用する方法をテストする

人間の動きは非常に複雑なので、人間の動きを詳細に分析する必要があります。MITとトゥエンテ大学はどちらも、これらの動きを分析する研究を行っています。彼らは、コンピューター モデル、カメラシステム、筋電図を組み合わせてこれを行っています。

インターフェースにより、バイオメカトロニクス デバイスはユーザーの筋肉系や神経と接続して、デバイスから情報を送受信できます。これは、通常の矯正器具や義肢器具では利用できない技術です。トゥエンテ大学とマラヤ大学のグループは、この分野で劇的な進歩を遂げています。そこでの科学者は、歩行中に足を制御できない麻痺や脳卒中の患者の治療に役立つデバイスを開発しました。研究者たちは、切断された脚を持つ人が切断された筋肉で義足を 制御できるようにする画期的な進歩にも近づいています。

MIT の研究者は、下肢 (脚、下腿) の固有受容フィードバック (位置感知) を可能にする MYO-AMI システムと呼ばれるツールを開発しました。また、上肢のインターフェイスに焦点を当てている研究者もいます (機能的神経インターフェイス ラボ、CWRU)。CNS アプローチと PNS アプローチの両方があり、さらに脳、脊髄、後根神経節、脊髄/脳神経、エンド エフェクタ テクニックに細分化され、デバイス コンポーネントのない純粋に外科的なテクニックもあります (標的筋肉再神経支配を参照)。

ヒュー・ハー氏は、MITの第一線で活躍するバイオメカトロニクス科学者です。ハー氏と彼の研究グループは、実際の人間の動きに近づきつつある篩 集積回路 電極と人工装具を開発しています。現在開発中の 2 つの人工装具は膝の動きを制御し、もう 1 つは足首の関節の硬さを制御します。

前述のように、ハー氏とその同僚はカエルの足から採取した生きた筋肉組織で動くロボット魚を作った。このロボット魚は生きたアクチュエーターを備えたバイオメカトロニクス装置のプロトタイプだった。この魚には以下の特徴が与えられた。^[2]

• 魚が浮かぶための発泡スチロールの浮き輪
• 接続用の電線
• 泳ぐときに力を発揮するシリコン製の尾
• リチウム電池による電力供給
• 動きを制御するマイクロコントローラ
• 赤外線センサーによりマイクロコントローラはハンドヘルドデバイスと通信できる
• 電子ユニットによって刺激された筋肉

UCSD のニューメディア アーティストは、バイオメカトロニクスをパフォーマンス アート作品に使用しています。たとえば、Technesexual (詳細情報、写真、ビデオ) は、バイオメトリック センサーを使用してパフォーマーの実際の身体と Second Life のアバターを橋渡しするパフォーマンスです。また、Slapshock (詳細情報、写真、ビデオ) では、医療用 TENS ユニットを使用して親密な関係における相互主観的共生を探ります。

バイオメカトロニクス機器の需要は過去最高に達しており、その勢いは衰える気配がありません。近年の技術進歩により、バイオメカトロニクス研究者は人間の手足の機能を再現できる義肢を製作できるようになりました。そのような機器には、義肢メーカーの Touch Bionics が開発した「i-limb」があります。これは関節が動く初めての完全機能義手です。^[3]また、Herr の PowerFoot BiOM は、人体の筋肉と腱のプロセスをシミュレートできる初めての義足です。^[4] バイオメカトロニクス研究は、人間の機能の理解に向けたさらなる研究にも役立っています。カーネギーメロン大学とノースカロライナ州の研究者は、歩行時の代謝コストを約 7% 削減する外骨格を開発しました。^[5]

多くのバイオメカトロニクス研究者は軍事組織と密接に協力しています。米国退役軍人省と国防総省は、兵士や退役軍人を支援するためにさまざまな研究室に資金を提供しています。^[2]

しかし、需要があるにもかかわらず、バイオメカトロニクス技術は、コストの高さと保険への導入不足のため、医療市場で苦戦している。ハー氏は、特にメディケアとメディケイドが「これらすべての技術の市場破壊者または市場創造者」であり、技術が飛躍的に進歩するまでは、誰もが利用できるわけではないと主張している。^[6]バイオメカトロニクス機器は、改善されているとはいえ、依然として機械的な障害に直面しており、不十分なバッテリー電力、一貫した機械の信頼性、および義肢と人体との神経接続に悩まされている。^[7]

• MITのバイオメカトロニクス研究室
• シカゴリハビリテーション研究所のバイオメカトロニクス研究室
• トゥエンテ大学のバイオメカトロニクス研究室
• カーネギーメロン大学の実験バイオメカトロニクス研究室
• リューベック大学バイオメカトロニクス研究所
• インペリアル・カレッジ・ロンドンのバイオメカトロニクス研究所
• イルメナウ工科大学バイオメカトロニクス研究室