痛みを感じない義足に「痛みの働き」だけを組み込んだセンサー

義足のソケット（脚をはめ込む受け口の部分）の内側に敷いて、圧力のかかり方を見張る「人工皮膚」のようなセンサーが発表されました。作ったのは中国・浙江工業大学のウー・ホアピン（Huaping Wu）氏らのチームで、論文は査読つきの学術誌 Cyborg and Bionic Systems に掲載されています。

義足は、立つ・歩く・走るといった動きを取り戻してくれます。ただ、ソケットが脚のどこかを強く押しすぎていても、義足そのものは何も教えてくれません。この「教えてくれない」を埋めるのが、今回の装置の役目です。

ソケットの内側で起きていること

義足を使うとき、体重はソケットを通じて、残っている脚（断端）に伝わります。この接触面に、強すぎる圧力や偏った圧力がかかり続けると、不快感だけでなく、炎症や潰瘍（皮膚や組織の傷）につながることがあります。バランスや歩き方にも影響します。

やっかいなのは、この面がソケットの中に隠れていて、外から見えないことです。しかも断端の皮膚は、義足の圧力を想定して作られているわけではないので、本人が異変に気づいたときには、すでに組織が傷み始めていることもあります。

もともとの体には、これを防ぐ仕組みが備わっています。痛みです。組織が傷つきそうな刺激を検出して知らせる仕組みは「侵害受容（しんがいじゅよう）」と呼ばれ、体のいたるところに張りめぐらされています。座りっぱなしでお尻がしびれてくると、無意識に座り直しますが、あれも圧力がかかり続けたことを体が知らせて、姿勢を変えさせている例です。

義足には、この警報システムがありません。そこで研究チームは、ソケットの内側に置くセンサー層を作りました。圧力が「どこに」「どれくらいの強さで」「どれだけの時間」かかっているかを測り、組織が危なくなりそうなパターンを検出して知らせます。

痛みを作らずに再現した痛みの働き

ここでこの研究のいちばん面白いところに入ります。この装置は、痛みの仕組みを手本にしていますが、痛みそのものは作っていません。

ウー氏はScienceAlertの取材に、こう明言しています。「この装置は痛みを感じませんし、使う人に痛みを与えることもありません。侵害受容に関連する情報処理の特徴——刺激の閾値、時間的・空間的な加算、記憶、感作——のうち、選んだものを再現しているのです」。

侵害受容と痛みは、日常では同じものとして扱われますが、実は別のものです。侵害受容は、組織が傷つきそうな刺激を検出して信号として送る仕組み。痛みは、その信号を受け取った先で、脳が作り出す主観的な体験です。神経、脊髄、脳、感情までが関わる痛みの全体は、はるかに複雑で、機械に載せられるようなものではありません。今回の装置が写し取ったのは、その手前にある「信号の処理のしかた」だけです。

具体的には、2つの経路が組み込まれています。ひとつは触覚の経路で、圧力の位置と強さを素早く伝えます。もうひとつが侵害受容を手本にした経路で、複数の測定点の信号を、時間をまたいで足し合わせていきます。この足し合わせには「シナプス型トランジスタ」という電子部品が使われています。前に受けた信号によって応答が変わる性質を持つ部品で、これが装置に簡単な記憶を持たせています。

強さではなく時間による危険判定

この設計がどう働くかを、ロボットハンドでの実験がよく示しています。

チームは4点のセンサーをロボットハンドに取り付け、10キロパスカルの圧力をかけました。10キロパスカルは、水深1メートルで体にかかる水圧とだいたい同じくらいの、強めに押される程度の圧力です。この圧力を0.21秒かけたとき、システムはこれをふつうの接触として処理しました。ところが、同じ強さのまま0.49秒続けると、信号が積み上がって警告の閾値を超え、ロボットハンドは手を引っ込めました。

強さは同じ。違うのは時間だけ。短い圧力なら無害でも、同じ圧力が続けば組織は傷む——体が痛みで教えてくれるこの区別を、装置がなぞった格好です。

さらに、この「けが」に相当する出来事のあとでは、同じ圧力に対して0.06秒で手を引っ込めるようになりました。けがをした場所が敏感になり、弱い刺激でも痛むようになる——体のこの性質（感作）を、警告の閾値を下げるという形で写しています。ロボットが痛みを覚えたわけでも、意識的に記憶したわけでもなく、設計として閾値が変わるようにしてある、ということです。

下腿義足の利用者3人での検証

チームは次に、このセンサーを膝から下の義足を使う3人のソケットの内側に取り付け、座る・歩く・階段を上る・跳ぶ・走るといった動作中の圧力を記録しました。センサーの点は4つで、置き場所は解剖学的な知識と、参加者本人が日ごろ不快を感じる場所の申告をもとに決めています。

実際の場面で役立った例も報告されています。走っているとき、義足の足先を地面から浮かせるために腰を持ち上げすぎるクセを、装置が検出しました。この動きは荷重を偏らせ、断端の前側の圧力を高めます。フィードバックを受けた参加者は、走り方を調整して腰の動きを抑えられました。

警告の精度は、参加者本人の不快感の数値申告と、観察者による表情の評価を突き合わせて確かめました。空間と時間をまたいで信号を組み合わせる方式で、短い不快感の86.4%、長く続く不快感の90.9%を正しく識別できたとのことです。

ただし、この数字はあくまで今回の試験での一致率であって、使い心地の評価ではありません。論文には、参加者が合計でどれだけの時間装着したかや、満足度の調査は含まれていないため、日常生活で快適に使えるかどうかは、まだ示せていません。

実用化までの距離

結果は有望ですが、まだ初期段階です。現在の試作機は配線でつながっており、小型・低消費電力の無線システムに作り直す必要があります。ウー氏自身も、「医療グレードの保護、確実な装着、そして繰り返しの荷重・汗・温度変化・ソケットの変形のもとでの安定性を、確立しなければなりません」と課題を挙げています。義足のソケットの中は、汗をかき、温度が変わり、一歩ごとに荷重がかかる、電子部品にとってかなり過酷な環境です。

また、今回の人での試験は3人です。86.4%・90.9%という数字も3人の試験から出たもので、切断の部位やソケットの設計が違えば結果も変わりうるため、より大規模で長期の研究が必要だとチームは述べています。

それでも、この装置が見張っている場所には意味があります。義足に感覚を持たせる研究はこれまでにもあり、義足の足裏で感じた圧力を神経に伝えるものなどが作られてきました。今回の装置が向き合っているのは、それらとは違う、ソケットと断端のあいだという隠れた接触面です。ここで組織が静かに傷んでいくのを、不快が傷になる前に知らせる。警告を受けた本人は姿勢や歩き方を変えたり、休んだり、ソケットの調整を頼んだりできますし、記録された圧力のパターンは、ソケットの適合や歩行訓練を一人ひとりに合わせる材料にもなります。

痛みという、誰もが持っているのにあいまいなものを、「位置・強さ・時間から損傷リスクを判定して知らせる働き」として取り出してみせたこと。体験は作らず、機能だけを移植したこと。この線引きの明確さが、この研究のいちばんの見どころだと思います。