コンピューティング
スマートインソールが歩行ベースの健康追跡の未来を切り開く
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私たちが日常的に行う活動の一つは歩行です。自分や他人の歩き方にあまり注意を払わないかもしれませんが、歩行は健康について多くのことを語ります。
これは、中心神経系が四肢の動きを制御し、身体が動いている間の姿勢を維持する役割を担っているためです。
運動障害や歩行障害は、実際には神経損傷、筋骨格系疾患、変性病理の結果です。従来、これらの状態は医師が身体検査や医学的検査に基づいて診断し、歩行解析は高度な病院で限られた患者に対してのみ実施されてきました。
多くの科学者は、これらの疾患リスクがあるすべての患者、そして長期リハビリテーションが必要な患者に対して歩行解析を実施すべきだと主張しています。これはいくつかの理由で理にかなっています。
まず、米国人口の約7％が深刻な歩行困難を抱えており、歩く・走る・移動する、階段を上るといった活動に支障があります。これらの歩行困難は、認知症やパーキンソン病（PD）などの神経認知障害に共通し、重要な特徴です。
特にPDは、筋肉の動きを制御することが困難になり、姿勢不安定や歩行凍結として現れます。脳卒中も非対称的な四肢の動きを引き起こします。
さらに、これらの疾患には莫大なコストがかかります。例えば、運動障害は米国GDPの約5％を占めると推定されています。また、多くの疾患は不均一な歩行や歩行の不規則性といった運動制御の低下によって定義されます。
これらの運動サインの変化は、疾患が診断されるはるか前に検出でき、治療に役立ちます。例えばPDでは、臨床診断基準が満たされる時点で、患者のニューロンの大部分がすでに変性しています。
したがって、日常活動中の歩行と足底圧をモニタリングする必要性は明らかであり、さまざまな障害の早期発見と早期介入を可能にし、疾患の進行を防止・遅延させることが期待されます。
歩行の不規則性を早期に特定することで、医療専門家は個別化された治療アプローチを取ることができ、患者全体の転帰を改善できます。
特定の状態の診断・管理に加えて、高齢者の歩行解析は、侵襲性が低くコスト効果の高い方法で全体的な健康と自立を維持する手段を提供します。
ここでは、スマートフォン、センサー、感覚ファブリックなど、個人の活動をモニタリングするための低コストで入手しやすいオプションがいくつか紹介されています。ウェアラブルデバイスも重要なツールであり、歩行の毎日の監視に重要な役割を果たします。
特に、靴にセンサーを統合してウェアラブル電子デバイスを作ることは、医療現場で使用されている足底圧分布測定用プラットフォームの課題を克服する有望な戦略です。
これらのプラットフォームの使用は時間的・空間的制約に限られます。したがって、新しい研究では、足底圧の空間的分解能モニタリングを可能にするスマートワイヤレスインソールシステムが構築されました。足底圧とは、歩行などの荷重活動中に足裏全体にかかる力の分布を指します。この完全に統合された自己発電システムは、複数モードでリアルタイムに歩行を可視化できます。
統合センサーネットワークによるリアルタイム歩行モニタリング
オハイオ州立大学の研究者らは、立ち姿勢、歩行、ランニングをリアルタイムで監視する新しいウェアラブルスマートインソールを設計しました。このシステムは、ユーザーが姿勢を改善するだけでなく、足底筋膜炎（かかとの痛みの一般的な原因）からパーキンソン病などのより深刻な状態まで、さまざまな症状に対する早期警告を提供します。
このウェアラブルは、22個の小型（CNT/ACET/PDMS）圧力センサーを使用して構築され、靴の上部には小型太陽光パネルが電源として利用されています。
システム全体を効果的かつ持続可能に電力供給するために、高出力密度・高変換効率を備え、使用時の機械的応力に耐える柔軟性を持つフレキシブルペロブスカイト太陽電池（FPSC）が設計されました。
このシステムは、個人の歩き方に基づくリアルタイム健康トラッキングを提供し、そのプロセスは指紋と同様に個別です。
圧力センシングデータはBluetoothを介してスマートフォンに送信され、迅速かつ詳細な分析が行われます。データはリアルタイムで送信され、ユーザーはスマートフォンアプリ上で3つの異なるモードで足底圧分布を可視化できます。
「私たちの体は、意識していない多くの有用な情報を保持しています。これらの状態は時間とともに変化するため、電子技術を用いてそれらの信号を抽出・解読し、より良いセルフヘルスケアチェックを促すことが私たちの目標です。」
もちろん、これは初めての試みではなく、近年ウェアラブルへの関心が高まっています。しかし、従来のプロトタイプはエネルギー供給が限られ、性能が不安定でした。
したがって、チームはウェアラブルが耐久性を持ち、安定かつ信頼できる電力を供給し、高精度でデータを収集・分析できることを保証しなければなりません。
「我々のデバイスは、高解像度・空間センシング・自己発電機能、そして機械学習アルゴリズムとの組み合わせという点で革新的です。したがって、この分野の先駆的成功に基づき、研究はさらに前進できると考えています。」
– 本研究の第一著者であるオハイオ州立大学の材料科学・工学の博士課程学生、Qi Wang
Science Advances誌に掲載1、本研究は、完全に自己発電するスマートシステムの開発について詳述しています。
このインソールは、ポリイミド（PI）エンカプセル層、電極、炭素ナノチューブ/アセチレンブラック/ポリジメチルシロキサン（CNT/ACET/PDMS）およびPDMS層で構成されています。PDMSは生体適合性、柔軟性、さまざまな形状への成形が可能なことで知られています。
センサーはPDMS層に高密度で統合され、圧力信号を電気信号に変換します。信号はプリント基板（PCB）上のアナログ-デジタルコンバータ（ADC）で収集され、モバイルデバイスへ送信されます。
PDMSをセンサー構造材料として使用し、センサーをPDMS層に埋め込むことで、インソールは高い耐久性を持ち、伸縮・ねじれ・折りたたみにも耐えることができます。
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AI駆動モーション認識と持続可能な電力ソリューション
CNT/ACET/PDMS圧力センサーの設計・開発に加えて、完全に統合されたワイヤレススマートインソールシステムは、持続可能な電源供給の確保と、AIを用いたモーション状態の正確な捕捉・認識という2つの重要な成果も達成しました。
チームは実際にサポートベクターマシン（SVM）学習モデルをスマートインソールシステムに組み込み、さまざまな人間のモーション状態を分類・認識しました。
ディープラーニングモデルと比較して、この機械学習モデルは、トレーニング速度が速く、大規模データセットに依存せず、決定境界が明確で、最適化目標がはっきりしているという利点があり、本研究に適しています。
このモデルは、8つの異なるモーション状態で収集されたデータを用いて訓練されました。データセットは合計1275サンプルのラベル付きデータを含み、そのうち80％がトレーニングに、残りが検証に使用されました。
訓練が完了すると、SVMモデルは入力データを分類し、認識結果を生成でき、研究ではすべての訓練済み状態で100％の精度が得られたと報告されています。
この高度なモデルを使用することで、システムは8つの異なるモーション状態を識別できました。座位や立位といった静的動作から、スクワットやランニングといった動的動作まで含まれます。また、片足立ち、歩行、階段の上り下りもカバーしています。
足指からかかとまでのセンサー配置により、研究者は歩行とランニングなど、異なる活動における足部各部位の圧力変化を詳細に観察できます。
足指と��かとの領域で見られる複雑な圧力パターンに対応するため、これらの部位に多数のセンサーが配置され、アーチ部にはわずか2つだけ配置されています。この設計戦略により、限られたセンサー数でも足底圧の重要情報を効果的に取得できます。
予想通り、歩行時にはかかとから足指へと順次圧力がかかりますが、ランニングではほぼすべてのセンサーが同時に圧力を受けます。さらに、歩行時の圧力適用時間は全体の約半分で、ランニング時は約4分の1に過ぎません。
安全性に関しては、チームはインソールに柔軟で安全な素材を使用することで、デバイスのリスクを低減しています。
継続使用のために、チームはウェアラブルシステムに小型リチウム電池を搭載しました。フレキシブルペロブスカイト太陽光モジュール（FPSM）は太陽光をエネルギーに変換し、これらの電池に蓄電して自己完結型の電力供給を実現します。これらの電池はインソールのアーチ部に統合され、快適性・利便性・安定性を向上させ、ユーザーの日常活動に影響を与えず、害もありません。
パーソナライズド・予防・予測医療へ向けて
性能面では、研究者が作成したスマートインソールは印象的な結果を示しました。圧縮・伸張の180,000サイクル後でも顕著な劣化が見られず、安定性と長期耐久性が実証されています。
「インターフェースは柔軟で非常に薄く、繰り返し変形しても機能し続けます。ソフトウェアとハードウェアの組み合わせにより、制限が少なくなります。」
– Li
このスマートインソールにより、研究者はパーキンソン病や筋骨格系障害、糖尿病性足潰瘍など足底圧に関連する状態など、神経系疾患に関連する早期異常を検出する歩行解析を支援することを目指しています。
システムは低コストで機械的に頑丈かつ製造が容易であるため、ハイアーチや偏平足の患者向けにカスタマイズされたエルゴノミックデザインが可能です。
さらに、新システムにAIを活用することで、個々のニーズやライフスタイルに合わせた医療提供が可能になります。これにより、装着者は姿勢矯正や怪我予防、リハビリテーションのモニタリングにも利用できます。
しかし、これだけではありません。研究者は将来的にこのシステムをモーション最適化、疲労予測、カスタマイズされたフィットネストレーニングに適用できると考えています。研究は次のように述べています。
「全体として、統合されたスマートインソールは次世代医療とIoTを革新する実行可能なソリューションです。材料、デバイス、ハードウェア、ソフトウェアのシナジーという概念は、他分野へ拡大し、人間と世界とのデジタルインタラクションにエキサイティングな機会を提供する可能性があります。」
これらのウェアラブルがいつ入手できるか気になる方へ、研究者はこの技術が今後3〜5年以内に商業化されると予測しています。
現在、研究者はシステムのジェスチャー認識能力の向上に取り組んでおり、より多様な集団でのテストが必要です。Liによれば、
「個人間の変異が非常に多いため、さまざまな集団でこれらの優れた機能を実証・訓練することにさらに注力する必要があります。」
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革新的企業
Nike Inc.
ウェアラブルの世界では、テック大手のApple (AAPL ) とAlphabet Inc. (GOOG ) (GOOGL ) が大きな市場シェアを占めています。AppleはApple Watchでウェアラブルヘルステックをリードし、GoogleはフィットネストラッカーのFitbitで存在感を示しています。
しかし本日は、デジタルヘルスとスマートアパレルの提供を絶えず拡大しているフットウェア大手のNikeに焦点を当てます。
ウェアラブル市場において、Nikeはこれまでにスポーツウォッチやアクティビティトラッカーバンドなど、腕に装着するデバイスを含む複数の製品を提供してきました。
昨夏、Nikeは自動紐締めバスケットボールシューズAdapt BBを発売しました。名前が示す通り、リアルタイムで足の形状に合わせて最適なフィット感を提供します。シューズ内のカスタムモーターとギアトレインが足周囲の空間を感知し、調整を行います。
Nike Adapt BBはアプリと高度なパワーラッピングシステムを備えた、継続的にアップデートされるパフォーマンス製品です。同社はシューズのデビューとしてバスケットボールを選び、FitAdaptシステムは将来的に他のスポーツやライフスタイル製品にも適用される予定です。
Nikeはまた、リカバリーテクノロジー提供者のHypericeと提携し、Hyperbootと呼ばれるテクノロジー搭載ブーツの開発を発表しました。この協業の目的は、アスリートのパフォーマンスとリカバリーを向上させるウェアラブル技術を開発することです。
これらのバッテリー駆動のハイトップシューズは、ウォームアップとリカバリーの両方に効果をもたらすよう設計されています。ブーツは加熱と動的エアコンプレッションマッサージを提供し、ボタンを押すだけで最大3段階に調整可能です。
「Hyperbootは、タイトル争いの試合であれ、仕事で長時間立ち続ける場合であれ、身体を活動に備えるのに役立ちます。」
– Nike Athlete Innovation上級ディレクター、Tobie Hatfield
この提携は、熱電クーラーを使用して瞬時の加熱と冷却を提供し、アスリートが制御できない環境に対応できる多用途ベストの開発にも取り組んでいます。ベスト内の熱モジュールのセンサーは自律的に体温を監視・維持します。
NVDA 価格チャート
時価総額845億ドルのNike株は現在57.23ドルで取引されており、年初来で24.5％下落しています。EPS（TTM）は3.01、P/E（TTM）は19.04、ROE（TTM）は31.93％です。また、Nikeは2.80％の配当利回りを支払っています。
企業財務に関して、2025年3月にNikeは2025年2月28日で終了した第3四半期の決算を報告しました。この期間の売上高は113億ドルで、前年から9％減少し、粗利益率は41.5％に低下、希薄化後1株当たり利益は0.54ドルで、30％の減少となりました。
四半期末の現金・現金同等物および短期投資は104億ドルで、Nikeは配当金594百万ドルと自己株式取得499百万ドルを通じて株主に11億ドルを還元しました。
「励みになるのは、Nikeが今四半期にスポーツを通じたアスリートストーリーテリング、パフォーマンス製品、大規模スポーツイベントでインパクトを与えたことです。経営環境は変動的ですが、Nikeにとって最も重要なのは新製品イノベーションでアスリートに応え、スポーツを通じてブランドの勢いを再燃させることです。」
– CEO Elliott Hill
第4四半期については、予想以上の大幅な減少が予測されています。興味深いことに、今年Nikeは約30年ぶりに初のスーパーボウル広告を放映しました。同社は現在、ベトナム、インドネシア、中国などのサプライチェーンに影響を与えるドナルド・トランプ前大統領の報復関税の脅威に直面しています。
結論
世界人口が急速に高齢化する中、身体機能と自立性を維持することは全体的な健康にとって極めて重要です。ここで歩行モニタリングは、神経系に影響を与えるさまざまな加齢関連疾患を評価するコスト効果の高い手段を提供し、高齢世代の健康と潜在的な移動制限に関する貴重な洞察をもたらす鍵となります。歩行解析は、慢性化や重篤化する前に異常を検出する有望な早期診断ツールでもあります。
最新の自己発電システムはリアルタイム歩行解析を備え、予防医療において大きな可能性を示しています。AIとスマートフォンアプリとの統合により、姿勢矯正、怪我予防、さらには転倒検知が一般に広く利用可能となり、より健康な人口と未来を促進します。
参照文献：
1. Wang, Q., Guan, H., Wang, C., Lei, P., Sheng, H., Bi, H., Hu, J., Guo, C., Mao, Y., Yuan, J., Shao, M., Jin, Z., Li, J., & Lan, W. (2025). 非線形相乗圧力センシングによる歩行モニタリングと認識のためのワイヤレス自己発電型スマートインソール. Science Advances, 11(16). https://doi.org/10.1126/sciadv.adu1598
