過去10年間、バイオニック・エクソスケルトンは医療界でちょっとした話題を呼び、運動機能リハビリテーションの画期的な新手法として期待されています。しかし、これらの機械式パワースーツは小さな奇跡を起こす可能性があり（見た目も非常にクールですが）、依然として大きな問題が一つあります。それは、非常に高価であるということです。身体に障害のある人や麻痺のある人の歩行を改善するために、エクソスケルトンはモーターとバッテリーの複雑な組み合わせを必要としますが、そのコストは決して安くはありません。
カーネギーメロン大学とノースカロライナ州立大学の研究者たちは、歩行効率をわずかに向上させる、よりシンプルな解決策を考案しました。ネイチャー誌に掲載された新たな研究で、研究チームは最新の成果、つまり歩行時のエネルギーコストを7%削減できるブーツ型のウェアラブル外骨格について詳細に説明しています。大したことではないように思えるかもしれませんが、長期間にわたるこのような微妙な変化は、脊髄損傷や脳卒中を患った人々のリハビリテーションを大幅に改善する可能性があります。
しかし、このブーツの最大のセールスポイントは、バッテリー駆動のモーターを必要としないため、軽量で入手しやすいことです。つまり、幅広い層の人が購入できる価格帯になる可能性が高いということです。
研究の共著者であるグレッグ・サウィッキ氏とスティーブン・コリンズ氏にとって、このブーツの着想は、人間の足首のメカニズムを研究することから生まれた。「足首の関節は人間の歩行における主要な動力源です」と、ノースカロライナ大学の生物医学工学助教授であるサウィッキ氏はポピュラーサイエンス誌に説明する。「脚から発せられるエネルギーのほとんどは、足首周辺の筋肉と腱から生まれます。」最終的に、研究者たちは、足首が脚を地面から押し出す際に、少しだけ力を加えるという戦略をとった。
サウィッキ氏とコリンズ氏は、人間の脚の様々な動作を超音波画像で観察することで、ふくらはぎの筋肉が運動中にアキレス腱とどのように連携して働くかを詳細に理解しました。その結果、脚の筋肉はモーターというより、車のクラッチのように機能することがわかりました。足が地面に着いているとき、ふくらはぎの筋肉はアキレス腱の一端をしっかりと保持します。すると、腱はバネのように機能します。足が動くと、ふくらはぎの筋肉の保持力によってアキレス腱が伸ばされ、最終的に筋肉の保持力が解放され、腱が反発します。
新しい外骨格ブーツは、まさにこうした動作メカニズムを模倣しています。「クラッチとバネの仕組みを、カーボンファイバー製のフレームにコピー＆ペーストしただけです」と彼女は言います。歩くたびに、機械式クラッチが脚の後ろにあるバネを作動・解除し、アキレス腱と連動して足の動きを補助します。
モーターを一切使用しないこの装置全体は、最終的には着用者の各ステップに必要なエネルギーを節約します。研究者たちは、このブーツを着用した人の酸素消費量と二酸化炭素排出量をモニタリングし、歩行に必要なエネルギーが7%削減されると算出しました。コリンズ氏によると、このブーツは筋肉にかかる負荷と力を軽減することでこれを実現します。
「筋肉は素晴らしいアクチュエーターですが、特に効率的というわけではありません」と、カーネギーメロン大学機械工学助教授のコリンズ氏は言います。「例えば、車のパーキングブレーキをかけると、車は坂を下りようとしますが、ブレーキがそれを抑えます。理論上は、これにはエネルギーコストはかかりません。しかし、筋肉はそのような力を生み出すときはいつでも、たとえ静止しているときでも、エネルギーを消費します。私たちのクラッチは、パーキングブレーキとほぼ同じように、エネルギーを消費することなく力を生み出します。」
サウィッキ氏によると、歩行効率が7%向上することは、10ポンド（約4.5kg）のバックパックの荷物を減らすのと同等だそうです。研究者たちは現在、このブーツが、特定の肢の可動域が弱い人や、1日に歩行できる距離を伸ばしたいハイカーやアスリートの補助として活用できると考えています。また、活動的な生活を送りたいものの、そのために少しサポートが必要な高齢のベビーブーマー世代にも人気が出ると考えています。
もちろん、このブーツを長期的に装着することによる影響を理解するには、さらなる研究が必要です。なぜなら、外骨格を常時使用すると筋肉量の減少につながる可能性が高いからです。しかし、コリンズ氏とサウィッキ氏は、このデバイスは化学エネルギーや電気エネルギーを一切消費しないため、市販版の価格は数千ドルから数百ドル程度になることを期待しています。現在の外骨格の価格が4万ドルから8万ドルであることを考えると、これはかなり良い数字です。
「最終的には、より小型で、より安価で、より合理化されたものの方が優れています」とサウィッキ氏は言う。「高すぎると、一般の人々が利用しにくくなります。」
