この装置は麻痺した人の呼吸と歌唱を助ける

2021年8月12日午前7時

「エクソ・アブス」と呼ばれるこのロボット装置は、人工知能を使って人の胴体にどの程度の圧力をかけるべきかを測定する。

20代前半の頃、イ・ナムヒョンは熱心な水泳選手でした。しかし、2004年にプールで首を骨折し、肩から下が麻痺しました。怪我からの回復には何年ものリハビリが必要でした。

この事故で、彼は生涯の情熱である歌を歌うことを一時的に諦めました。オペラとK-POPの曲が大好きで、再び歌えるようになることが回復に向けた最大の目標の一つでした。しかし、体幹の筋肉が衰え、肺活量も限られていたため、咳をすることさえできませんでした。歌おうとすると、まるで泣き言、あるいはささやき声のように聞こえたそうです。

「怪我をする前と後で、僕の歌は全く違っていた」と彼は言う。「音色も、音色も、ビートも、怪我をしてからはもう歌えなくなってしまった。まるで聞くに堪えない音だった」

事故から約2年後、医療従事者が彼に横隔膜を押して咳をさせました。彼は腹部に圧力をかけることで、より大きな声を出せることを知りました。

約10年後、セラピストを通して、まさにこの目的のために開発中の試作機について知り、リー氏はソウル国立大学のバイオロボティクス研究室と共同研究を始めました。この装置は最終的に「Exo-Abs」と名付けられました。開発者たちは、腹部に自動的に圧力をかけることで、呼吸、咳、発話、歌唱を補助する初のロボット装置だと呼んでいます。

授業プロジェクトとして始まったこのデバイスの開発者たちは、いつか商品化したいと考えている。ロボット工学研究室の研究者たちがこのプロトタイプデバイスの開発に着手したのは、人気歌手のキム・ヒョクグンさんが2012年に車にひかれて麻痺になったことがきっかけだった。キムさんは、韓国のカラオケバーで今も人気の高いバンド「ザ・クロス」のリードボーカルだった。叫んでいるように聞こえる歌い方で知られ、負傷から2年後、バイオロボティクス研究室と共同で、同じような声量で歌えるデバイスの開発に取り組んだ。研究者たちが脊髄損傷患者は手足を再び動かすだけでなく、呼吸療法も必要な場合が多いことを知ったのはずっと後になってからだった。

「息を吐くときは基本的に腹部を押し、肺の容積を狭めているので、私たちはそのプロセスを模倣しようとしているのです」とソウル国立大学のチョ・ギュジン教授は語る。

チョ氏は、同大学のソフトロボティクス研究センターの所長を務めています。このバイオロボティクス研究室は、人体を含む自然界からインスピレーションを得ています。チョ氏は、Exo-Abs以外にも、Exo-Gloveと呼ばれるロボットハンド、テントウムシのような羽を持つグライダー、そして水上を歩くことからジーザスバグとも呼ばれるウォータースキマーを模倣したロボットを開発しています。

「今日のウェアラブルロボットはどれも、腕、肩、脚といった手足を動かすのが主流です」と彼は言う。Exo-Absは「基本的に体全体のボリュームを変える」という点で異なる。しかし、このデバイスの可能性は、あまり知られていないため、ほとんど未開拓だと彼は言う。

脳卒中や神経疾患を患う人は、呼吸療法を含む継続的なケアを必要とすることがよくあります。呼吸器官の浄化が不十分だと、肺炎や早死などの病気につながる可能性があります。現在、人々は呼吸を補助するために人工呼吸器マスクなどの機器を使用していますが、Exo-Absの開発者たちは、このデバイスが将来、一部の人々にとって人工呼吸器に取って代わる可能性があると考えています。

フェイスマスクや人工呼吸器の使用が必要となる既存のデバイスとは異なり、Exo-Absはシャツの下に隠すことができます。デバイスを操作するための機器は、車椅子の背部にストラップで固定できるバックパックに収まります。現在のExo-Absでは、胸部と腹部にバンドを装着し、呼吸を測定し、横隔膜を圧迫します。

これはExo-Absの3番目のバージョンです。最初のバージョンはユーザーがジョイスティックを使って手動で操作し、電源コンセントに接続する必要がありました。2番目のバージョンは、COPDなどの疾患を抱え、常に介助を必要としない場合でも、息切れせずに階段を上るなど困難な方のためにバックパック型でした。

Exo-Abs は胴体に圧力をかけることで麻痺した人が歌えるようサポートします。

Exo-Absの最新バージョンは、人工知能（AI）を用いて人の腹部にかかる圧力を調整します。AIは、人の会話を検知するマイクや、腹部に巻き付けられたベルトに通して呼吸レベルをモニターする弾性チューブなどのセンサーから情報を得ています。また、人の体力、体型、腹腔の硬さ、そして活動状況も考慮します。例えば、オペラのように力のいる歌唱は、落ち着いて座って会話をするよりも大きな圧力を必要とする場合があります。

チョー氏とともに研究しているソウル国立大学の博士課程の学生、イ・サンヨプ氏は、人工腹筋を音楽に同期させたり、「ワンハンドクラッピング」のような歌唱パズルゲームなど、エクソアブの他の用途も構想している。

「曲のファイルをダウンロードすると、ロボットが1分間の拍数を解釈し、どれくらいの練習が必要かを教えてくれるんです。だから、誰でも歌を練習できるんです」と彼は言う。「このロボットは全く新しい技術に発展して、誰にでも取り付けられるようになると思います」

歌うことは人々の生活に喜びをもたらす手段であるだけでなく、発話や呼吸の中でも最も複雑な形態の一つであり、エンジニアにとって非常に魅力的な技術的課題だと彼は言います。言い換えれば、歌っているときの呼吸パターンを自動認識できる感度を持つAIを開発することで、呼吸、咳、発話にデバイスを使用する人々のニーズを満たすために必要な技術的理解を深めることができるはずです。

Exo-Absの開発者は米国と韓国で特許を取得しており、将来的にはFDAの承認を期待しています。この技術がうまく活用されれば、呼吸器系に問題を抱える車椅子利用者が、人前でスピーチをしたり、舞台芸術に関連した職業に就くことも可能になるかもしれません。

イ・ナムヒョンさんにとって、エクソアブスを含む呼吸療法は、ソウル大学でオペラを専攻する上で大きな助けとなりました。当初は歌を最後まで歌い終えることができず、差別や自己不信に陥ることもありましたが、オペラを歌うようになってから生活の質が向上したと語っています。その後、韓国でKBS交響楽団と共演し、アメリカ公演にも参加し、YouTubeでファンのために歌を披露しました。「You Raise Me Up」はパンデミックの間、多くのファンのお気に入りでした。

リー氏は現在、エクソアブスや、水泳中の怪我からの回復に使用した4、5種類の医療機器は不要になったと語る。機器の使用は腹筋の筋力回復に役立ったが、問題がなかったわけではない。2014年に最初のプロトタイプを使用した際、エクソアブスは一部の曲のテンポに追いつくには遅すぎた。また、腹部に継続的に圧力をかけることによる副作用も懸念していた。オペラ歌手は通常、腹部全体に空気を送り込むことで呼吸するが、エクソアブスは前面と背面にのみ圧力をかけるという。

「長期間にわたってそれを続けると、腸が押し出されてしまったり、尿や便に血が混じったりするなどの問題が生じる可能性があります」と彼は言う。

クロス・シンガーのキムは、2014年のYouTube動画で、この器具の使用によって多少の出血はあったものの、再び歌えるようになったのでその価値はあったと語っている。キムは健康上の問題のため、器具の使用経験に関する質問には回答できなかった。

イ・サンヨプ氏によると、この装置の最初のユーザーであるイ・ナムヒョン氏とキム氏からのフィードバックが最も厳しいものだったという。初期バージョンでは、患者の胴体に過度の力が加わることがあった。最新版では、力がより均等に分散され、手動操作が不要になり、ロボットが加える力はセラピストが加えられる力と同程度に制限されている。また、最新版のExo-Absは、以前の10ポンド（約4.5kg）から7.5ポンド（約3.3kg）へと軽量化されている。

ソウル大学病院で現在行われている実験は、軽度の呼吸療法が必要な人が医療専門家の監督の下、1回3週間にわたり1日4～6時間Exo-Absを使用できるようにすることに重点が置かれている。

いくつかの悪い経験があったにもかかわらず、イ・ナムヒョン氏は、自分がこの装置の最初の使用者の一人であったことを認識しており、エクソアブスが時間とともに改良され、より多くの人々を助けることができるようになることを期待していると語った。

「この技術が発展するにつれて、自動運転車のようにどんどん進化していくかもしれません」と彼は言う。「多くのプロトタイプデバイスと同様に、このデバイスも将来的にはより軽量で持ち運びやすく、美しいデザインになることを期待しています。」

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