脳制御型ロボットアームに触覚を追加、機能性２倍に　米研究

【ワシントンＡＦＰ＝時事】脳の活動だけでロボットアームを遠隔操作し、その指が物体をつかんだ感触を自分自身の手で触れたのと同じように感じられるとしたら──？（写真は米ピッツバーグ大学で、感覚皮質に電極を埋め込んだブレーン・コンピューター・インターフェースを通じて、脳制御でロボットアームを操作するネイサン・コープランドさん。ピッツバーグ大学医療センター提供）
　世界初のブレーン・コンピューター・インターフェースによって、胸から下がまひした男性の触覚を再現することに成功したとする論文を、米ピッツバーグ大学などの研究チームが科学誌サイエンスに発表した。
　研究では、触覚を加えることで視覚だけに頼った場合よりも、四肢まひの人用の補綴（ほてつ、身体の欠損した部分を補う人工物）の機能性が格段に向上することが実証されたとしている。
　「感覚皮質にインプラントを埋め込んで脳を直接刺激できるようにしたのは、私が世界で初めてだ」と、ボランティアとして被験者となったネイサン・コープランドさん（３４）はＡＦＰに語った。「まるで自分の手で触っているように感じる」

■「とにかく最高」
　コープランドさんは２００４年に自動車事故で脊髄を損傷し、四肢を動かせなくなった。ボランティアとして参加した研究で６年前、脳に小さな電極を埋め込む手術を受けた。
　ブラシの毛のように並んで配列された２組の電極８８個が、体の動きをコントロールする脳の運動皮質まで通じている。コープランドさんのインプラントは、感覚を受信・処理する体性感覚皮質に、追加の電極セットが接続されている点が特徴だ。
　論文の共著者であるピッツバーグ大理学療法学・リハビリテーション学部のロブ・ゴーント助教によると、人間は物をつかむ際、触覚をごく自然に活用している。そこで研究チームは、脳からの指示を「読み取って」補綴に送るだけでなく、補綴からの感覚を「書き込んで」送り返す「双方向性」のインターフェースを開発した。
　初めてロボットアームの触覚を確かめた時のことについてコープランドさんは、「そう、これだと思った。とにかくもう最高だった」と振り返った。

■タスク完了速度が２倍に
　実験では、ロボットアームの触覚センサーを入れたり、切ったりしながら、横に座ったコープランドさんに石や球体といった小さな物体を拾って箱の上に置く作業を繰り返してもらった。すると、触覚センサーが入っているほうが平均で２倍速くタスクを完了でき、コップを持ち上げて中身を別のコップに注ぐといった複雑な動作もこなせた。
　コープランドさんは「感覚のおかげで、確信と自信を持って、物をしっかりつかんで持ち上げられると分かった」と話した。
　研究チームは、ロボットアームをさらに改良し、将来的には一般家庭で使える装置にしたいと考えている。
　コープランドさんは新型コロナウイルス流行で大学が閉鎖されている間、自宅でブレーン・コンピューター・インターフェースを利用し、タブレット端末で絵を描いたりビデオゲームを楽しんだりしていたという。脳制御が「今では自然にできるようになった」と話している。【翻訳編集ＡＦＰＢＢＮｅｗｓ】
〔ＡＦＰ＝時事〕（2021/05/24-12:55）

Imagine being able to control a robotic arm from a distance, using only your mind. Now imagine being able to feel when its fingers grasp an object, as though it were your own hand.
US researchers published a study in the journal Science on Thursday about the world's first brain-computer interface that allowed a volunteer with paralysis from the chest down to accomplish this very feat.
The team say their work demonstrates that adding a sense of touch drastically improves the functionality of prosthetics for quadriplegics, compared to having them rely on visual cues alone.
I am the first human in the world to have implants in the sensory cortex that they can use to stimulate my brain directly, Nathan Copeland, 34, told AFP.
And then I feel as if a sensation is coming from my actual hand.
- 'Super cool' -
In 2004, Copeland was in a car accident that left him with a serious spinal cord injury and without the use of his hands or his legs.
He volunteered to participate in scientific research, and six years ago underwent a major operation to have tiny electrodes implanted in his brain.
Two sets of 88 electrodes the width of a strand of hair are arranged into arrays that resemble tiny hairbrushes and penetrate deep into the brain's motor cortex, which directs movement.
Fewer than 30 people in the world have these kinds of implants, the study's co-lead author Rob Gaunt, an assistant professor in the Department of Physical Medicine and Rehabilitation at the University of Pittsburgh, told AFP.
What's unique about Copeland is an additional set of electrodes that are connected to his somatosensory cortex, which receives and processes sensations.
When we're grabbing objects, we use this sense of touch very naturally to improve our ability to control, explained Gaunt.
The team developed an interface that is bi-directional -- meaning not only can it read instructions from the brain and send them to the artificial limb, it can also write sensations from the device and transmit them back.
The idea of sending tactile feedback to the somatosensory cortex goes back decades, but doing so in a way that is controlled and is understandable by the circuitry of the brain was a challenge.
After operating on Copeland to install the electrodes, the team held their breath.
No one knew what to expect because this had only been done in monkeys and you can't ask a monkey what something feels like, said Copeland.
Then came the moment of truth, when they tried sending their first touch signal.
It was really faint, he recalled. He asked them to try again, to be sure it was real.
Oh yeah, that's what that feels like, and it was just super cool, he said.
- Twice as fast -
Before the interface could be put to work with the robotic arm, the scientists had to perform a series of tests with Copeland.
First, they needed to learn which electrodes caused what sensation when activated, and which fingers they were associated with, to set up the robotic hand correctly.
They also made him watch videos of the robotic arm moving left or right and recorded the electrodes that lit up when he was asked to think it was him controlling it.
Finally it was time to try it out.
Copeland sat next to the metallic black robotic arm and was asked to pick up a series of small objects like rocks, spheres, and place them on a box -- with either the tactile sensors switched on, or off.
He was able to complete each task on average twice as fast when the sensors were enabled, and was even able to achieve more complex tasks like picking up a glass and pouring its contents into another.
The sensation gave me that assurance and confidence to know that I definitely had a good grab on the object and I could lift it up, said Copeland.
The team wants to further refine the prosthetics because we don't want to just do science experiments in the lab, we want to actually build devices that are useful to people in their homes, added Gaunt.
Copeland got his brain-computer interface set up at home when the Covid pandemic shut down the university, and has used his downtime to learn how to draw on a tablet and even play video games.
He does this by using his mind to send signals directly to the computer, rather than using the arm to push buttons.
It is just second nature to me now, he said.