筋肉ベースのアクチュエータがロボットソリューションの可能性を最大化できるかもしれません

MITの研究チームは、培養した筋組織の収縮を効率よく動きに変える、ばね状の柔軟な機構を開発しました。特定の方向には柔らかく、それ以外の方向には硬い構造を使うことで、筋肉の力を狙った方向へ伝えます。将来のバイオハイブリッドロボットを設計するための基礎となる研究です。

筋肉とフレクシャを組み合わせた駆動機構

学術誌Advanced Intelligent Systemsに掲載された論文は、フレクシャと呼ばれる弾性機構を筋組織と組み合わせる方法を報告しています。従来の設計より大きな変位を得るとともに、筋肉の収縮と疲労を測定できるようにしました。変位の増加と、装置全体のエネルギー効率の向上は区別する必要があります。

フレクシャとは

アクチュエータは、エネルギーを制御可能な動きへ変換する装置です。電力、圧力、熱などを利用するさまざまな方式があります。

フレクシャは、材料の弾性変形によって動くばね状の機械要素です。それ自体がエネルギーを生み出すわけではありません。設計次第で特定の方向への動きを許し、他の方向の動きを抑えることができます。

バイオハイブリッド機構の設計

研究チームは、筋肉の力を一方向の変位へ伝えるように形状と剛性を調整しました。細い梁などの弾性部分と硬い部分を組み合わせ、筋組織を取り付ける支柱を配置しています。

支柱の間に筋肉の帯を取り付け、その収縮によって生じる動きを測定しました。これは再現性の高い設計を目指す取り組みであり、ソフトロボット業界全体の製造規格が既に確立されたわけではありません。

性能と疲労の測定

筋肉が収縮すると支柱同士が近づきます。その距離の変化から、装置の動きや筋肉の性能を評価しました。報告された約5倍という値は従来方式に対する収縮変位の比較であり、単に5回動かしたという意味ではありません。

刺激の頻度を変えると疲労の現れ方も変化し、高い頻度では引く力が低下しました。研究では、収縮の動特性を調整し、力や仕事、出力を比較するための機械的な測定基盤も示しています。

剛性と動きの調整

梁の厚さや間隔を変えると、フレクシャの剛性を調整できます。筋肉の力と機構の柔らかさを適切に組み合わせることが重要です。

精密機械用のフレクシャにはナノメートル級の制御に使われるものもありますが、今回の筋肉駆動ロボットがその精度を達成したという意味ではありません。「最も強力で正確」といった一般的な順位付けも、この研究だけではできません。

培養した骨格筋組織

実験にはマウス由来の細胞から培養した筋組織が使われました。生きた筋肉を機械構造へ取り付けることで、収縮を利用できます。人への移植や臨床効果を示す試験ではありません。

筋肉と人工アクチュエータ

筋肉は化学エネルギーを機械的な力へ変換し、電気的または光学的な刺激などで収縮を制御できます。筋肉が機械エネルギーや電気エネルギーだけを燃料として働くわけではありません。

小型の駆動源として、筋肉の適応性や力の発生能力には研究上の魅力があります。ただし、培養環境の維持、寿命、再現性、制御なども含めて評価する必要があります。すべての人工アクチュエータより省エネルギーで高精度だと結論づけることはできません。

バイオハイブリッドロボット

生体材料と機械を組み合わせるバイオハイブリッドロボットは、長年研究されています。筋組織を人工の骨格へ取り付け、歩行、遊泳、把持などを試みる実験装置があります。

こうしたソフトロボットでは、構造の柔らかさと制御の仕組みが動きに影響します。研究段階の実演と、人間の手と同等の器用さや実用性を備えた製品は区別する必要があります。

バイオハイブリッドロボットのさまざまな形

• 細胞や微生物の運動能力を利用する微小なシステムがあります。将来の診断や治療への応用が研究されていますが、ここで紹介する筋肉とフレクシャの研究が、それらの医療用途を実証したわけではありません。
• 培養した筋肉などの組織を利用する装置もあります。義肢などへの応用は将来の可能性ですが、視覚や歩行の回復、自己修復、低コスト化がこの研究で達成されたわけではありません。
• 人工の骨格と生体組織を組み合わせ、自然な動きを再現しようとする設計もあります。骨格そのものが必ず生体由来という意味ではなく、歩行や跳躍などの性能は装置ごとの実証が必要です。

ソフトロボット開発の課題

生体材料を含むロボットでは、設計や性能比較の方法が統一されていない部分があります。筋組織の個体差や培養条件も動きに影響します。共通の測定手法や設計指針は、研究成果を比較しやすくするうえで役立ちます。

再現性の確保

機械加工した部品にも製造公差がありますが、生きた組織にはさらに大きな生物学的な変動があります。収縮力、疲労、反応のタイミングなどを安定させることが課題です。

筋肉を引き伸ばせば常に同じ収縮が得られるわけではありません。組織の作製法や刺激条件、取り付け方を含めて検討する必要があります。3D組織作製技術も改善に役立つ可能性があります。

共通の設計基盤に向けて

今回のフレクシャは、筋肉の動きを比較しやすくするモジュールや測定基盤として期待されます。複数の機構を組み合わせれば、異なる構造の検討にも使えます。

ただし、あらゆるロボットへそのまま適用できる万能の駆動装置や、承認済みの業界標準ではありません。用途に合わせた設計と検証が引き続き必要です。

MITの研究チーム

論文の著者はNaomi Lynch、Nicolas Castro、Tara Sheehan、Laura Rosado、Brandon Rios、Martin Culpepper、Ritu Ramanです。Alex d’ArbeloffはRamanの当時の職名に含まれる名前であり、この論文の共著者ではありません。

チームは精密機構の設計と筋組織の研究を組み合わせ、筋肉の収縮を狙った方向の動きへ伝える構造を開発しました。

バイオハイブリッド技術の可能性

生体材料には、適応や修復など、人工材料とは異なる性質があります。そうした特性をロボットへ取り入れる可能性が研究されています。ただし、すべての装置が自動的に強くなったり自己修復したりするわけではありません。

感覚認識

生体の感覚機構を利用して、化学物質や電気信号などを検出する研究もあります。筋肉とフレクシャの今回の装置は、そうした感覚機能をすべて備えたロボットではありません。

脳インターフェース

脳と機械をつなぐインターフェースも関連する研究分野です。神経活動から特定の操作信号を推定する技術と、人の思考内容を自由に読み取る技術は同じではありません。また、今回の筋肉駆動機構とは別の研究課題です。

次世代義肢

生体組織を利用する義肢や補助装置は、長期的な応用候補です。本人が訓練して性能を高め、自然な感覚を得られる装置は魅力的ですが、この実験でその臨床効果や安全性が確立されたわけではありません。

持続可能性

環境の監視や汚染物質の検出に生体材料を使う構想もあります。ただし、生物由来であるだけで持続可能性や環境への安全性が保証されるわけではなく、材料、培養、廃棄などを含む評価が必要です。

筋肉駆動機構の将来の応用

研究チームは、小型ロボットや将来の低侵襲手術用装置などへの展開を検討しています。現時点では研究上の可能性であり、航空機や医療機器への実用導入が完了したわけではありません。

小型で制御しやすいロボットを目指して

筋肉の力を有効に利用し、その性能を測定する仕組みは、バイオハイブリッドロボットの再現性を高めるうえで重要です。実用化には、長期安定性、培養環境、制御、安全性などの課題が残ります。今回の研究は、その設計と評価を前進させる一歩です。

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