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» 2021年12月03日 08時00分 公開

指を電気で強制的に操るデバイス、米シカゴ大が開発 楽器の演奏指導などに活用Innovative Tech

米シカゴ大学の研究チームは、指を電気で刺激し、それぞれ操作できるハプティクスデバイスだ。電気的筋肉刺激と、指の関節に配置される機械的なブレーキが備わった外骨格デバイスで、装着者の指4本(親指を除く)を器用に制御する。

[山下裕毅,ITmedia]

Innovative Tech:

このコーナーでは、テクノロジーの最新研究を紹介するWebメディア「Seamless」を主宰する山下裕毅氏が執筆。新規性の高い科学論文を山下氏がピックアップし、解説する。

 米シカゴ大学の研究チームが開発した「DextrEMS: Increasing Dexterity in Electrical Muscle Stimulation by Combining it with Brakes」は、指の動きをそれぞれ操作できるハプティクスデバイスだ。電気的筋肉刺激 (Electrical Muscle Stimulation、EMS)と、指の関節に配置される機械的なブレーキが備わった外骨格デバイスで、装着者の指4本(親指を除く)を器用に制御する。

前腕に貼り付けた電極からの電気信号で指を動かし、装着した外骨格デバイスで動き具合を調整する。ギターで弦を抑えてコードを形成するなどの細かい指の動きも可能

 EMSとは、皮膚に取り付けた電極から電気信号を与え、運動神経を刺激することで筋肉を運動させる技術を指す。例えば、前腕の筋肉に電気刺激を与えると指が動くなど。

 前腕の筋肉に電気刺激を与えるこれまでのEMSデバイスでは、他の指も同時に動き、指1本を独立して動かせない課題や、不要な振動が邪魔だった。これら課題を解決するためにこの研究では、それぞれの指に機械的なブレーキをかける外骨格デバイスで補助するアプローチを提案する。

 デバイス本体の重さは68gと軽量。ブレーキやバッテリー、無線を駆動するカスタムPCBを介してスタンドアロンで動作。機械的なブレーキは、指の関節8つ(4本の指の中手指節関節と近位指節関節)に整備しているため、各指が内側に曲がるリアルな指の動作ができる。EMSの電極は、指の伸展用に前腕の背側と、屈曲用に前腕の掌側へ配置する。

デバイスを各指に装着した様子
デバイスのプリント回路基板と電子回路図

 これにより、EMSによる指の屈曲と伸展の両方において、動かしたくない指にブレーキをかけ、動かしたい指だけを開放できるようになり、独立した指の動きや不要な振動を除去できるようになった。解放した指も正確な角度や位置で止めるといった、詳細な動きも行える。

 デバイスを評価するために、装着者の各指を動かしてピアノやギターの演奏をレクチャーするチュートリアル・アプリケーションや、難聴者向けにテキストを指文字に変換する補助アプリケーション、VR上のオブジェクトに触れた際の触覚を提示するアプリケーションも開発し、デバイスの有効性を実証した。

DextrEMSを用いたさまざまなアプリケーション。上からテキストを指文字に変換するアプリケーション、ギターやピアノをレクチャーするチュートリアル・アプリケーション、VRオブジェクトに触れた際の触覚を再現するアプリケーション

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