敏感なロボット：触覚技術が機械とのギャップを埋める [スポンサードポスト]

今まさに、手術器具の感覚を失った患者を手術している外科医がいます。同様に、世界中の原子力施設では、何に触れているのか感覚がないまま遠隔操作アームを使って放射性物質を扱っている作業員もいます。アフガニスタンの爆弾処理専門家から国際宇宙ステーションの宇宙飛行士まで、ロボットの支援を受けて手作業を行うほぼすべての人に、しびれという蔓延が蔓延しています。

問題は生理学的なものではなく、むしろ機械的なものだ。ロボットがますます普及するにつれ、特にハイリスク・ハイリスクの状況では、遠隔操作の代替手段を導入することによる利点が機能的な壁にぶつかっている。ほとんどの場合、ロボットは自分が触れたものを感じることができないため、ユーザーは自身の本能を書き換え、単純な触覚の手がかり（例えば、2本の指先の間にあるワイヤーの輪郭）を絶え間ない視覚的確認に置き換えることを強いられる。その結果、研究者が「認知負荷の増大」と呼ぶものが生じ、操作者は、すべて楽にできるはずの無数の些細なタスクについて、能動的に考えなければならない。患者が失血しているときや、路傍の爆弾が爆発しようとしているときなど、これらのタスクに間に合う時間が迫っているとき、その追加の責任の重さはほとんど耐えられないものになり得る。

現在、研究者たちは、感覚を持つ機械を開発することで、その認知的負担を軽減し、ひいてはロボットの世代全体をより効率的にすることを目指しています。これは触覚技術と呼ばれ、ロボット工学において最も挑戦的な研究分野の一つです。しかし、新しいセンサーとフィードバックシステムがようやく実験室から出てきたことで、最も有望な分野の一つにもなっています。

感覚フィードバック：良い振動とイライラさせる気晴らしの間の微妙な境界線
ハプティクスの本質は、機械が触覚を通してコミュニケーションをとることです。例えば、操作対象のマニピュレーターが障害物にぶつかるとジョイスティックが急停止したり、仮想キーボードをタップするたびにタッチスクリーンが振動したりします。振動は触覚フィードバックの最も一般的な形態であり、サイレントモードの携帯電話に着信があったときのガタガタという音は、その最も一般的な応用例です。

この概念をロボット工学に拡張するのは簡単そうに思える。インテュイティブ・サージカル社のダ・ヴィンチ・システムのような外科用ロボットがマニピュレーターで患者の組織に触れるとき、軽いブザー音で術者に合図を送ってはどうだろうか。「外科医の手に振動を与えたくはない」と、マサチューセッツ州に本拠を置くケンブリッジ・リサーチ＆デベロップメント社のケン・スタインバーグCEOは語る。同社は、外科用ロボット用に独自の触覚デバイスをテストしている。外科医はすでに患者の体内でマニピュレーターを操作するために機械のコントロール装置をつまんだり回したりしているので、スタインバーグ氏に外科医から聞いた話では、ほぼ一定の振動はせいぜい迷惑で、最悪の場合、混乱を招き、指が痺れるほどの気晴らしになるという。「振動は人体にはまったく効果がない」とスタインバーグ氏は言う。「神経はどの振動が強くてどの振動が弱いか分からなくなってしまう。時間が経つにつれて、振動はただあなたをイライラさせるだけだ」

ケンブリッジR&Dのソリューションは、振動ではなく、より具体的な動作です。同社は最近、リニアアクチュエータのプロトタイプであるNeoを発表しました。これは、ヘッドバンドに取り付けられた機構で、多くのモーターに典型的な円運動ではなく、上下に動きます。ダヴィンチシステムの器具やマニピュレーターが何かに接触すると、Neoの小型タクター（圧力と振動をユーザーの皮膚に伝える小型トランスデューサー）が外科医の頭部を押します。リニアアクチュエータを使用することで、マニピュレーターが組織を撫でた時の羽毛のようなくすぐったさから、縫合糸が引っ張られた時の明確なタップ感まで、触覚フィードバックを微細に調整できます。

フィードバックの有効性をテストするため、Neo を装着した外科医が、静脈を掴むシミュレーション手術を行った。これは、穿刺や損傷のリスクが高いため、外科医が通常、低侵襲手術ロボットで避ける操作である。「たわみや潰れが最小限に抑えられていることを示すために、シミュレーション上の静脈をいかに繊細に掴めるかを示すことにしました」と Steinberg 氏は言う。「外科医に目隠しをして、ロボットを使って静脈 (この場合はストロー) を掴ませ、ストローを感じた瞬間に止めるように指示しました。」外科医がストローを感じると、ロボットはほぼ即座に停止し、Steinberg 氏は組織の損傷や穿刺がないことを確認した。da Vinci の標準的なフィードバックは 3D 高解像度モニターによる視覚的なもののみであることを考えると、これは伝達される触覚がもたらすものを垣間見ることのできる印象的な事例である。 「この機能の導入コストは数十万ドルではなく数百ドルです。私たちは、今後10年間の触覚技術のソリューションを確立できると考えています」とスタインバーグ氏は語る。

Cambridge R&DはIntuitive Surgicalなどの企業に技術ライセンス供与することを望んでいますが、より従来型の触覚フィードバックは既に手術室に導入されています。股関節と膝関節の手術専用ロボットRIOは、整形外科医の指示のもとで手術を行いますが、手術開始前にRIOは既に計画を立てており、事前にCTスキャンで得られた患者に関する独自の知識を活用します。そのため、人間の外科医が手術を誤ったり、過剰な圧力をかけたりした場合、RIOはフロリダに拠点を置くMako Surgicalが「触覚フィードバック」と呼ぶフィードバックを付与します。これは「フォースフィードバック」の別名で、操作部がユーザーに力強く押し返す感覚です。

ロボットが触覚フィードバックに自律的に反応するように設計されていれば、触覚はより効果的になる可能性がある。
しかし、フォースフィードバックは万能の解決策ではありません。RIO手術ロボットはユーザーを明確に定義された領域内に閉じ込めることができますが、2010年のディープウォーター・ホライズン原油流出事故や2011年の福島第一原子力発電所の事故に対応したロボットのようなロボットは、予測不可能な環境の混沌とし​​た状況を切り抜けています。研究者は、油で濁ったカメラや高レベルの放射線による電離効果でちらつくカメラを通してレンチやドアノブを回すという、こうしたシステムの操作者にとってより良い解決策を提供するために、ギアチェンジをしなければなりません。

ロサンゼルスに拠点を置くSynTouchのような企業は、触覚をユーザーに意味のある、邪魔にならない方法で伝える方法にこだわるのではなく、機械そのものに焦点を当てています。ロボットが何に触れているかを知っているのであれば、それに応じて反応するようにプログラムするのは当然のことです。SynTouchのBioTacセンサーは人間の指先を模倣するように設計されており、力だけでなく振動や温度も検知します。これら3種類の入力を組み合わせることで、BioTacを搭載したロボットハンドは、温度に基づいてガラスと金属を、質感に基づいてボタンとその周囲のパネルを識別できるようになるかもしれません。しかし、この入力は人間のユーザーにとってどれほど便利であっても、ロボットはその情報をより有効に活用できる可能性があります。

SynTouchの共同創業者で事業開発責任者のマット・ボーゼージ氏によると、それはスピードの問題だという。「人間の場合、何かをつかむとき、手は1秒間に何千回も調整する必要があります。もし手が滑り始めると、その情報を脳まで送り、さらに腕まで戻すには時間がかかりすぎます。だからこそ、脊髄が腕に接続されているのです」とボーゼージ氏は語る。ロボットハンドが人間のような精度を実現し、絶え間ない手探りを避けるには、自律的に動作する必要がある。操作者が触覚信号を受信し、処理し、コマンドを送り返すのを待つのは、ぎこちなく不器用な失敗の原因となる。「だからこそ、脊髄レベルの反射を模倣する低レベルの反射をロボットアームに実装する必要があるのです」とボーゼージ氏は言う。

この反射ベースのアプローチは、世界で最も器用なロボットハンドの1つであるShadow Handのメーカーによって採用されています。「遠隔操作の場合、複雑なセンサーを搭載しても大きなメリットはありません。オペレーターにデータを返せないからです」と、Shadow Robot Companyのマネージングディレクター、リッチ・ウォーカー氏は言います。「データは人間に返されるのではなく、ロボットが解釈する必要があります。」ロンドンに拠点を置く同社は、研究志向の顧客が指先センサーをそのシステムに統合するのを支援するShadow Hand BioTacキットを作成したSynTouchと緊密に連携しています。しかし、触覚強化技術が原子力施設の材料ハンドラーが使用するロボットなどの実際の広範な採用に飛躍するためには、触覚フィードバックを備えたシステムよりもはるか前に、スマートで機敏なマニピュレーターが実現可能になる可能性があります。

触覚技術は最終的にロボットに「自己」の感覚をより強く与える可能性がある
従来の定義における触覚技術が放棄されたと言うのは不公平でしょう。むしろ進化を遂げ、感覚を持つ機械と、その感覚を人間と共有できる機械の両方を包含するようになりました。モントリオールに拠点を置くKinova Systemsは現在、既存のジョイスティック制御のJACOグリッパーアームを触覚対応にアップグレードする開発を進めています。このアームを車椅子に取り付けることで、上半身に障害のある人が物を掴んだり操作したりできるようになります。また、グリッパーの3本の個別に制御される低駆動「指」を通して、洗練された「触覚」感覚を与えることができます。研究の第二段階では、アームやヘッドバンドなどを通じて操作者にフィードバックを与える予定です。しかし、最初のステップは、接触した物体を感知・識別し、それに応じて調整するグリッパーの開発です。例えば、水の入ったコップを水平に保持し、ガラスが割れないように、しっかりと握れる程度の圧力をかけるといった具合です。

言い換えれば、触覚技術の分野は、最終的にはロボットの助けになるかもしれない。Cambridge R&D、SynTouch、Shadow Robotといった企業が、病院、石油掘削装置の下、そして世界中の戦場や災害地帯にシステムを普及させているロボット工学の大手企業をうまく取り込むことができれば、それらの機械は監視の必要性が減るだろう。レンチが油の煙の中に落ちる前にそれを捕まえたり、爆弾の絡まったケーブルの中から1本の電線を切断したりするだろう。これは幸運な偶然と言えるかもしれない。触覚を伝達でき、より制御しやすい機械を作ろうとする中で、ロボット工学者たちはより優れた自己制御機能を持つ機械を開発したのだ。

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略歴：エリック・ソフゲはマサチューセッツ州を拠点とするテクノロジー、科学、文化に関するライターです。 『Popular Mechanics』、『Popular Science』、『Men's Journal』、 『 Wall Street Journal Weekend』に定期的に寄稿しています。また、 『Slate』、『Fast Company』 、 『The Best American Science Writing 2012』にも寄稿しています。

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