バイオニックリム

外付け義足

近年の材料科学と技術の進歩により、義足は大きな進歩を遂げました。このような義肢は、装着した人が超人的な能力を発揮するように思われがちですが、実際には、健康な人間の手足が持つ機能性や可動域を再現しようとしているに過ぎないのが現状です。

考えてみてください、鼻がかゆければ掻きますよね。しかし、これを実際にどのように行うか、少し考えてみてください。まず、肘を曲げながら前腕を上げ、鼻の近くの正しい位置にする必要があります。そして、指が鼻に届くように前腕を必要な角度まで回転させ、指を伸ばして痒みの上で上下に何度も動かす必要があります。そして、かゆみを止めるために適切な圧力をかけながら、皮膚を削り取ることなく、この作業を行わなければなりません。想像できるように、これらすべてのことをシームレスに、簡単に、すばやく行えるロボット手足を作ることは、非常に困難です。

鼻を掻くといった一見単純に見える多くのタスクは、無意識のうちに精密さと計算によって支えられているのです。画像ソース

ハイタッチや階段の上り下りは、それほど複雑な動作には見えませんが、裏側（または頭の中）では、最も単純なジェスチャーを行うために、脳が常に働いているのです。神経、筋肉、シナプス、大脳皮質、これらすべてがシームレスに機能しなければ、これらのタスクを実行できません。

世界中の研究者がバイオニック技術で再現しようとしているのは、思考、行動、反応間のこの相互作用です。また、まだ研究開発の段階にあるものもありますが、大きな可能性を示しています。

筋電義肢

従来、上肢の義肢は、身体に取り付けたケーブルとハーネスを使い、身体の動きで義肢を制御するケーブルを操作して、身体を動かしていました。これは、肉体的に疲れるし、面倒だし、不自然なこともある。

筋電義肢は外部から電力を供給され、バッテリーと電子システムを使って動きを制御するものです。それぞれの義肢はカスタムメイドで、吸引技術を使って残存肢に装着します。

一旦デバイスがしっかりと取り付けられると、電子センサーを使用して、残存肢の筋肉、神経、電気活動のわずかな痕跡さえも検出します。この筋肉活動は皮膚の表面に伝えられ、増幅されてマイクロプロセッサーに送られ、その情報を使って義肢の動きを制御する。

ユーザーによって与えられる精神的、物理的な刺激に基づいて、手足は自然の付属物のように動き、行動します。既存の機能的な筋肉の動きの強さを変えることによって、ユーザーはバイオニック・リムの強さ、速度、およびグリップなどの側面を制御することができる。筋肉信号で制御できない場合は、ロッカー、プル-プッシュ、タッチパッドなどのスイッチを使用することができます。センサーやモーター制御を追加することで器用さが向上し、ドアを開けるために鍵を使ったり、財布からカードを取り出したりといった作業を行えるようになります。義肢は本物の手足を凌ぐことができるのか？ (WIRED / YouTube)をご覧ください。詳細と記録を見る。

この技術の特徴の1つは、状況の変化（例えば、その後水が入ったグラスを持つなど）を検出すると、自動的に張力を調整する「オートグラップ」機能です。筋電義肢の付加的な利点は、従来の身体駆動装置と同様に、自然の手足の外観を再現することができる点である。

この技術の欠点は、内部にバッテリーとモーターがあるため重いこと、高価であること、そしてユーザーがコマンドを送信してからコンピューターがそのコマンドを処理して動作に移すまでに若干の時間遅れがあることです。

オッセオインテグレーション

もうひとつのバイオニックリムブレイクスルーは、「オッセオインテグレーション（OI）」として知られています。ギリシャ語で骨を意味する「osteon」と、全体を作るという意味のラテン語「integrare」に由来するこのプロセスは、生きた骨と合成（多くはチタンベース）インプラントの表面との間に直接接触を作ることを含みます。義肢と骨が直接つながっているため、いくつかの利点があります。

より安定性と制御性が高く、消費するエネルギーの量を減らすことができます。
吊り下げるための吸引を必要としないため、ユーザーにとってより簡単で快適です。
体重の負荷が大腿骨、股関節、脛骨などの骨に戻されるため、従来の人工関節に付き物の変性や萎縮の可能性を低減できます。

従来は、2回の手術が必要でした。最初の手術では、チタン製のインプラントを骨に挿入し、多くの場合、軟組織を広範囲にわたって修正します。 6～8週間後に行われる第2段階では、ストーマを整え、インプラントと外付けの義足をつなぐ金具を装着します。徐々に骨と筋肉が骨側の移植されたチタンの周りに成長し始め、機能的なバイオニックレッグが完成します。外付け義足はアバットメントから簡単に着脱することができる。最近では、オーストラリア在住の外科医Munjed Al Muderis准教授が、1回の手術でこの手術を行うことができるようになりました。

人工関節は骨に直接取り付けられているため、可動域や制御性が高く、場合によっては、装着者が骨知覚によって（カーペットとタイルなど）表面間の触覚の違いを識別できるようになったこともあるそうです。

モネタイト結晶（CaHPO4）は、チタンと併用することで体への適合性を高めることができます。画像出典 Wellcome Images / Flickr.

歩行訓練、強化、リハビリは、手術前と手術後の重要な部分です。この新技術を受けた人の多くは、術後数週間で自立歩行できるようになり、生活の質を大きく回復することができました。

起立耐性失調の分野では、発泡チタンのような多孔質の金属構造を使用した製品の導入が続いています。従来の大腿骨用の起立耐性付与は、脛骨近位部の骨構造が非常にスポンジ状であるため、脛骨に適用するとうまくいきませんでした。 Al Muderis准教授は、3Dプリントされた発泡体表面インプラントを開拓し、経脛骨切断者にうまく使用されています。この3Dプリントされた金属発泡体は、定義された領域内の骨浸潤と血管系の形成・成長を促進・助長する可能性があります。このようにして、多孔質で骨のような金属発泡体は、骨の物質を分泌する骨芽細胞GLOSSARYosteoblasta細胞の活動を開始させることができます。

起立性調節障害の患者は、ほとんど本物と同じように感じると言っています。このタイプの人工関節の欠点は、費用がかかること（一般的に8万ドル以上）、多くの種類の切断者に適さないことです。