バイオニック義肢を（文字通り）超クールなものにする方法

ジョニー・マセニーは15年ほど前、線維肉腫と診断されました。これは、左手の骨の周囲の結合組織を侵す稀な癌です。医師は彼に、左手を切断するか、死ぬかの選択肢を突きつけました。彼は切断を選びました。手は切断された後も感覚がありました。これは、かつて手と脳を繋いでいた神経を通して発せられる信号によって引き起こされる、いわゆる幻肢です。現在、癌は完全に寛解し、マセニーは長年にわたり実験にボランティアとして参加し、入手可能な最先端の義肢を試用してきました。しかし、これらの義肢はハイテクな運動制御と振動フィードバックを提供していましたが、温度を感じる機能など、まだ欠けているものもありました。

3年前、ジョンズ・ホプキンス応用物理学研究所（APL）の研究者らが、四肢を失った人々の冷たさの感覚を取り戻すための新しい刺激装置の試験を開始し、マセニー氏は4人のボランティアの1人となった。包帯のように薄く、10セント硬貨大の正方形のこの装置は、皮膚に貼り付けたり、着用可能な布地に埋め込んだりすることができ、片側から反対側へ熱を送り込んで冷感を作り出す。研究所の実験の一環として、マセニー氏は温度センサーと新しい刺激装置を備えたバイオニックアームを装着し、ソーダ缶をいくつか取るように指示された。缶を1本手に取り、くすくす笑い、目を大きく見開いて顔を輝かせたのを覚えている。「冷たかったんです。腕を切られる前以来、あんな感覚は感じたことがありませんでした」と彼は言う。「ただ信じられませんでした。」

最先端の義肢は既に微細な運動制御と基本的な感覚フィードバックを提供できるものの、まるで自分の手足であるかのように感じる触覚のニュアンス、例えば温度などは、これまで実現されていませんでした。7月にNature Biomedical Engineering誌に掲載された研究で、 APLの研究者たちは、冷却パッチによって温度感覚を取り戻せることを示しました。これは、近い将来、義手で冷たいビールを楽しんだり、愛する人の温かい触れ合いを楽しんだりできるようになるという希望を与えてくれます。

高度なバイオニックハンドは動きの精度が向上していますが、「感覚フィードバックも提供する必要性は以前から認識していました」と、カーネギーメロン大学の機械工学・神経科学教授で、今回の研究には関与していないダグ・ウェーバー氏は述べています。「物を動かすだけでなく、その動作の結果を感じることも重要なのです。」感覚フィードバックがなければ、手を見ずに自分の手がどこにあるか、あるいは何かを握りつぶしそうになっているかどうかを知ることは不可能です。

しかし、触覚は複雑です。「触覚は指先にかかる圧力や力だけではありません」と、APLの神経工学研究者で論文の筆頭著者であるルーク・オズボーン氏は言います。「温度など、他の複雑な感覚もすべて包含しているのです。」

温度知覚は私たちの社会生活において特別な意味を持つようだと、ケース・ウェスタン・リザーブ大学の生物医学工学教授、エミリー・グラジク氏は述べている。グラジク氏はこの研究には関与していない。グラジク氏は研究の中で、感覚フィードバックを提供することで、義肢装着者はより自信と安心感を持って他者と交流できるようになり、義肢が自分の一部のように感じるようになることを発見した。「誰かの握手の温かさを実際に感じることで、義肢はより人間らしくなるでしょう」とウェーバー氏は付け加えた。

切断手術では、かつて脳と手足の間で情報を伝達していた神経が切断されます。しかし、これらの神経の末端は再生可能です。再生するにつれて、残存肢の皮膚など、付着できる組織に神経を供給します。上肢を切断した人の場合、それは手首や肘のすぐ上の部分かもしれません。その皮膚に電気ショックを与えると、実際に手に電撃が走ったように感じることがあります。ウェーバー氏によると、残存肢から脳へとつながるこの経路は、「入力を伝える窓」として機能しています。

「切断患者の感覚を回復させる従来のアプローチは、電気刺激です」とオズボーン氏は言います。これは、小さな電極で皮膚の一部を刺激するものです。圧力や振動といった触覚の機械的な側面に反応する神経線維は太く、ミエリン鞘によって絶縁されているため、電流の漏出を防ぎ、活性化しやすいのです。しかし、温度に関する情報を伝達する神経は小さく、通常は電気刺激に反応しません。グラチク氏によると、人に温度を感じさせる最良の方法は、昔ながらの方法、つまり熱いものや冷たいものを使って皮膚のあらゆる受容体を活性化することだそうです。

義肢装着者に冷感を感じさせるには、超高速温度信号（0.5秒以下）を義肢から皮膚へ、サブセンチメートル単位の精度で伝達し、かつて指に対応していた神経を活性化させる必要がある。応用物理学研究所の熱電部門主任技術者であるラマ・ベンカタスブラマニアン氏は、この挑戦​​に挑んだ。彼は過去25年間、赤外線センサーや衛星用の熱電冷却装置の開発に携わってきたが、特に人に冷感を与える装置の開発に意欲を燃やしていた。「人間の能力を最大限に引き出すというアイデアに勝るものはありません」と彼は語る。

熱電冷却装置は、ご希望であれば今すぐオンラインでご購入いただけます。ゲーマー向けPCの過熱防止には最適ですが、重量が重く、動作が遅いため、生体の素早いプロセスを模倣したり、一日中装着したりするには適していません。ベンカタスブラマニアン氏は、迅速で非侵襲的、そして軽量な装置の開発を目指しました。そこで彼は、電子の力で熱を層から層へと送り出し、冷却効果を残す超薄型フィルム（厚さ約20～25ミクロン、人間の髪の毛の半分以下の幅）で小型装置を開発しました。これは、驚異的なパワーとニューロン並みの速度を持つ小型冷蔵庫のようなものです（ベンカタスブラマニアン氏によると、ロケットのノズルと同等の熱流束を持つ半導体を想像してみてください。一方、反対側は冷却されています）。数々のベンチトップ実験でこの効果を確認した後、同氏は「これは室温付近で世界最速、最効率、そして強力な冷却装置です」と述べています。 

その後、研究チームは上肢切断者4名を募集し、ベンカタスブラマニアン氏の新しい装置をテストし、既存の装置と比較しました。まず、市販の大型冷却装置を用いて、各被験者の切断肢において、皮膚への冷感によって幻肢のどこかに冷えが生じる箇所をマッピングしました。次に、実験者が室温から16℃（華氏約61度）まで冷却する間、被験者は市販の冷却装置をこれらの箇所の1つに置きました。被験者は温度変化を感じたらすぐにボタンを押し、変化の強さをスライドスケールを用いて報告しました。

次に、ベンカタスブラマニアン氏のより小型で新しいデバイスを用いて、この部分のテストを繰り返しました。このデバイスは、標準的な熱電デバイスよりも約4倍速く冷却効果をもたらし、約2倍の強さを感じました。切断のない2人の被験者にもこの実験を繰り返してもらいましたが、彼らも同様の効果を感じました。より速く、より強い冷却効果でした。

マセニー氏の協力を得て、研究者たちは実験をさらに一歩進めました。今回は、刺激装置を素肌でテストするのではなく、義手の指先からマセニー氏自身の神経系に冷感を送ることを試みました。彼らは、APLの研究者が開発した先進的な義手（マセニー氏は2018年に1年間の実地試験に使用しました）を使用し、小指に温度センサーを埋め込みました。このセンサーから、マセニー氏が腕の皮膚に装着し、幻肢小指からの感覚を受け取る刺激装置に信号が送られました。

マセニー氏は19回の試行で、同じソーダ缶を3つ触った。2つは室温、1つは冷蔵庫から出したばかりだった。彼は毎回、冷たいソーダ缶を判別できた。「まるで自分の指で触っているかのようでした」と彼は回想する。ある実験の最後に、マセニー氏は冷えたソーダ缶を正しく指差し、缶を開けてカメラに向かって乾杯しながら、小さく笑った。「本当に楽しかったです」と彼は回想する。

少なくとも理論上は、このような小型で非侵襲的なデバイスは、常に適切な皮膚部位に当たるようしっかりと装着されていれば、義肢の下に装着する布製のライナーに容易に埋め込むことができる。また、手術も必要ないため、義肢の補助器具として米国食品医薬品局（FDA）の承認を得るためのプロセスは、他のより侵襲性の高い医療機器よりも容易になるだろう。

振動フィードバックや微細運動制御に加え、温度センサーは義手が触覚を完全に再現することに近づくために役立つ可能性がある。マセニー氏の夢の義手は、ある点を除いて彼の残存腕と一致する。「感じたくない唯一のものが痛みであることは分かっています」と彼は言う。オズボーン氏のチームはこれまでにもバイオニックアームに痛みを感じさせたことがあるが、倫理的な理由から、研究者は通常、研究対象でない限り痛みを引き起こすことを避ける。しかしグラジク氏は、痛みはある程度、触覚に必要な部分なのではないかと考えている。「私たちは痛覚があるので、自分の体がどこで終わるのかが分かります」と彼女は言う。そして、義手が持ち歩いている無生物ではなく、実際に装着者の一部であると感じるためには、痛みがもたらす境界を感じる必要があるのか​​もしれない。その具現化の感覚は、グラジク氏は「人々にとって望ましいものであり得ます。それは、彼らが再び完全な状態になったように感じさせてくれるのです」

体温を感じることは、自分の体に心地よさを感じるのに役立つだけでなく、より深い社会的つながりを生み出すことにもつながるかもしれません。優しく腕を握られたり、背中を軽く叩かれたりした時、「実際に誰かの体温を感じることができることは、実は大きな意味を持っています」とグラジク氏は言います。「体温に近いものの方が、私たちは物事をより心地よく、より安らぎを感じます。」

既存のデバイスに温度感知機能を追加することは、正しい方向への一歩だとオズボーン氏は言う。「これで、義手で実現できると思っていたことの限界を押し広げることができるのです」と彼は言う。「これまでできなかったことを、誰かに実現できる能力を与えることができるのです。」