共同研究・競争的資金等の研究課題

細胞やその小器官から情報を得る手段として、単一細胞手術が近年注目されている。しかし、これまでに研究されてきた方法では、人の手で直接複雑な操作を施すことはできない。本研究は、触覚フィードバック付き単一細胞手術用ロボットの開発を目的とし、研究代表者らが培ってきた力触覚伝送技術（リアルハプティクス）による超微小手術用ロボット開発のノウハウをもとに、まずは基礎的知見を得ることを目指す。本研究の遂行により、複雑な細胞手術や新たな細胞手術法の開発への道が開ける。さらに、細胞研究を起点に生命科学全体の体系や方向性を大きく変革させること、およびロボット工学へ再応用することが期待できる。

血小板は核を持たないことから、再生医療材料の分野において、臨床応用面で有利である。皮下脂肪組織由来血小板は、iPS細胞由来血小板より、安全面・費用面で、より臨床応用のハードルが低い素材として注目されている。これまでの成果を元に、われわれはは、いち早く皮下脂肪組織由来血小板を創傷治癒薬として臨床応用するため、治験を前提としており、具体的な治験プロトコールの策定・必要な客観的評価基準の確立・治験で使用する脂肪細胞ソースの確保を進めている。本研究では、特に誘導血小板の製品としての品質保証による安全性を担保する技術開発を行い、第一種再生医療等技術として完成させる。

歯科インプラント治療は、天然歯への負担が少なく、咀嚼機能や審美性に多くの利点を持つ優れた治療法である。しかし、歯槽骨高の低い上顎臼歯部の埋入においては、上顎洞粘膜損傷の危険性を伴う。そこで本研究では、上顎洞底の皮質骨のみを貫通した時点で上顎洞粘膜の損傷なく停止する新たなサイナスリフトシステムを構築する。目的達成のためA. 切削抵抗とドリル形状・回転速度との関係性解明、B. 切削抵抗測定アルゴリズムの開発、C. 骨質変化検出機構の開発、D. ハンドピース型歯科インプラントドリル機器のハード製作、E. 自動停止制御の実装を実施したのち、F. in vivo 実証実験により、有用性を確認する。

人間は力触覚によって力加減を調節し柔軟に作業をこなしている。しかし、高減速比の機構を伴う従来の産業用マニピュレータや、油圧駆動の建設重機等では力触覚が感じられないため、力加減を調節できず、接触対象物を破壊する危険がある。本研究ではマニピュレータの基礎部に多自由度力センサを設置する手法により、堅牢かつ小型、安価な力情報の検出を可能とし、高減速駆動/油圧駆動マニピュレータによる柔軟な力制御動作を実現する。目的達成のため Ａ. 接触部位/接触力算出の基本原理の確立、Ｂ. 解が一意に求まらない場合の対応を行ったのちＣ. ３リンクマニピュレータによる把持操り作業の実現を実施し、本手法の有用性を確認する。 本研究では基礎部において力情報を取得するという本手法の有用性を新たに開発する油圧駆動マニピュレータに実装したのち、把持操り作業を伴う実タスクを対象とした実証実験を実施し、その実用性を明らかにする。本研究期間ではこれまでに培ってきたロボットアームの制御技術と油圧駆動建設重機の制御技術とを基盤として、新たに提案する接触部位および接触力の測定手法を統合し、高減速駆動マニピュレータならびに油圧駆動マニピュレータの柔軟な力制御を実現する。本研究目的を確実に達成するため、本研究では四年間の研究期間を三つの小期間に分割するとともに各期間に小目的を設定し研究を遂行する。 本年度は研究計画第一期 (2020年4月～2022年3月)に該当し、「Ａ. 接触部位/接触力算出の基本原理の確立」に取り組んだ。外部の負荷力がマニピュレータに印加されると、基礎部に搭載された多軸力センサではx、y、z軸の各軸方向の力および各軸まわりのモーメントが観測される。各軸方向の力とモーメントとの比率より、接触部位の算出が可能となるが、マニピュレータの自重ならびにダイナミクスが力応答値に悪影響を及ぼすことが予想される。そのため本研究計画第一期ではそれらの影響を測定し検証するとともに、接触部位の算出精度向上手法を検討した。本アプローチは、特定の姿勢において、接触点の候補が複数存在してしまう点が問題となる。しかし、今年度の研究の結果、２通りの解決策を提案し、その有用性を確認することに成功した。一つ目の解決策は、関節トルクの利用である。減速比が高いマニピュレータの場合、トルクを正確に推定することは困難であるが、おおよその値を検出することで接触しているリンクを特定することが可能となる。二つ目の解決策は関節角度の変動を利用する手法である。関節角度の変動が接触点の候補に与える影響を評価することで接触点を特性することが可能となる。 2020年度後期から2021年度前期までの期間で開発予定であった外力印加装置の開発が概ね完了しているため。 人間は力触覚によって力加減を調節し柔軟に作業をこなしている。しかし、高減速比の機構を伴う従来の産業用マニピュレータや、油圧駆動の建設重機等では力触覚が感じられないため、力加減を調節できず、接触対象物を破壊する危険がある。本研究ではマニピュレータの基礎部に多自由度力センサを設置する手法により、堅牢かつ小型、安価な力情報の検出を可能とし、高減速駆動/油圧駆動マニピュレータによる柔軟な力制御動作を実現する。目的達成のため Ａ. 接触部位/接触力算出の基本原理の確立、Ｂ. 解が一意に求まらない場合の対応を行ったのちＣ. ３リンクマニピュレータによる把持操り作業の実現を実施し、本手法の有用性を確認する。2021年度前期には外力を印加するための装置の開発を完了し、2021年度後期には自重及び動力学的影響の補償に取り組む。

世界的な高齢化の進行を背景に、脳/神経の可塑性に着目したニューロリハビリテーションによる身体機能の回復に大きな期待が寄せられている。応募者は基課題により力触覚代替と動作代行を実現可能な義手を開発することに成功し、任意の身体部位の動きと任意の身体部位の知覚とを対応付けることを可能にした。本研究では、これをニューロリハビリテーションの領域へと展開することで、麻痺患者の身体機能の回復を目指す。 世界的な高齢化の進行を背景に、脳血管障害によって神経症状を患い、長期の後遺症に苦しむ患者の数は増加の一途を辿っている。運動麻痺や感覚障害、言語障害など脳血管障害の後遺症に苦しむ患者は日本国内だけでも300万人以上が存在すると言われており、早急な対応が求められている。こうしたなか、近年の神経科学の成果が新たな突破口を開こうとしている。これまで脳血管障害によって損傷を受けた中枢神経系は回復が困難であると考えられてきた。しかし、脳や神経には外部からの刺激に呼応して、損傷した脳領域の機能を代替する新たな神経回路が生成される性質（＝可塑性）が存在することが明らかとなってきた。1998年になり、米国マサチューセッツ工科大学のHermano Igo Krebs氏らにより、ロボット工学を積極的に取り入れたニューロリハビリテーションとしてRobot-aided neuro-rehabilitationの概念が提唱された。Robot-aided neuro-rehabilitationでは、ロボットマニピュレータに仮想的な剛性、粘性、慣性などの機械特性（＝機械的インピーダンス）を持たせることによって、患者に物理的な負荷を与え、ニューロリハビリテーションにおける運動訓練の効果を促進することが可能となる。本年度では、力入力型のタスクを対象に、Discrete Movement、Rhythmic Movement、Target Transitionの３種類の測定試験を実施し、人間の運動生成原理の解明に取り組んだ。また、距離、角度、力を同時に測定可能な新たな近接覚センサの開発を行った。 Discrete Movement、Rhythmic Movement、Target Transitionの３種類の測定試験を実施した結果、「人間が発生させ得る力の微分値は十分に大きく、応答速度は視覚情報に起因すること」「人間はわずかに先の動作を予想し、動作の改善を図っていること」「力の微分値に関して重ね合わせの法則が成立すること」等が成立する可能性が示唆された。また、距離、角度、力を同時に測定可能な新たな近接覚センサの開発については、試作機の開発をすでに完了し、国際学術論文誌への投稿を行った。さらに、本センサに関する会議発表を行い、電気学会の本部表彰を受賞するに至った。このように当初の想定を上回る進捗状況である。 当初義手での活用を目的として基課題において開発に成功した「身体の任意の部位の動作と任意の部位の知覚とを対応付ける力触覚代替と動作代行の技術」をニューロリハビリテーションの分野へと大きく発展させ、神経回路の生成に活用する。Robot-aided neuro-rehabilitationの研究を世界的に牽引し、膨大な量の臨床データと知見を有する米国マサチューセッツ工科大学Hermano Igo Krebs氏との国際共同研究の体制を継続し、研究開発を推進する。特に本年度では、力入力型のタスクを対象に実施した、Discrete Movement、Rhythmic Movement、Target Transitionの３種類の測定試験の結果を解析し、人間の運動生成原理の解明を進める。また、距離、角度、力を同時に測定可能な新たな近接覚センサについては、センサ応答を用いたフィードバック制御系の構築に取り組む。さらに、本測定原理を拡張し、スラスト方向に加わる力情報をも取得可能な機構を検討する。

人間は力触覚によって力加減を調節し柔軟に作業をこなしている。しかし、義手等の既存の動作支援装置では力触覚が感じられず、接触対象物を破壊する危険がある。本研究では小型アクチュエータを搭載した足部インターフェースを開発し、従来は得ることのできなかった義手の力触覚を、健常な身体部位である足部に代替させることに成功した。これにより、力強さと繊細さを兼ね備え、かつ、環境適応性の高い動作を実現することが可能となり、事故や疾患等により失われた身体機能を支援することが可能となった。 本研究では事故や疾患等により失われた力触覚を自らの健全な身体部位である足部によって代替させる。これは力強さと繊細さを兼ね備え、かつ、環境適応性の高い動作を人工的に実現するアプローチであり、新たな人間支援の形態を提供する。また、代替される力触覚に加工を施すことでパワーアシストなどの実現も可能であり、作業支援などによる産業界への波及効果も期待される。さらに、開発した足部装着型の力触覚供給装置は義手への応用のみならず、着座姿勢における作業に幅広く展開可能なデバイスであることから、次世代のキーインタフェースとなることが期待される。