歩行中の外骨格支援をユーザー好みに基づいてヒューマンインザループで調整する研究

より少ない労力で歩けるように

ヘッドホンの音量を調整するように、着用型の歩行補助装置を簡単に調整できると想像してみてください。本研究は、複雑な実験装置に頼らず、本人の感覚だけでロボット式ヒップ装置を素早く“自分好みに”教え、気持ちよくかつエネルギー消費の少ない歩行を実現できるかを調べています。

腰部に装着するロボットの助け

研究チームはヒップ外骨格を用いました。これは腰部にモーターを備えた軽量フレームで、トレッドミル上を歩く際に脚の動きを支援します。装置の押し引きのタイミングを事前にエンジニアがプログラムする代わりに、被験者には小さなハンドヘルドコントローラが渡されました。これを使って、外骨格が方向を切り替えたり最大の支援を与えたりする歩行サイクル内の4つの主要なタイミングをずらすことができます。正面の画面には支援パターンの単純な曲線が表示され、変更がどのように支援に影響するかが視覚的に分かるようになっています。

ユーザー自身が支援を調整する

歩行に問題のない11人の成人が参加しました。短い慣熟期間の後、各参加者は外骨格を装着してコントローラを使い、さまざまな支援パターンを試しました。全範囲を探索し、最も心地よく努力が減ったと感じるパターンに落ち着くよう求められ、時間制限はありませんでした。平均して参加者は約30種類の設定を試し、好みの支援を見つけるのにおよそ11分を要しました。興味深いことに、ほとんどの人が一度に1つのタイミングだけを変えており、無作為な試行錯誤というよりは慎重な段階的探索を行っていることが示唆されます。

大がかりな計算なしでのエネルギー節約

参加者は自分の感覚だけに頼っていましたが、その選択は測定可能なエネルギー節約につながりました。外骨格が各人の好むタイミングパターンを使った場合、外骨格自体がトルクを発生しないときと比べて歩行のエネルギーコストは約17％低下しました。装置の追加重量を考慮しても、装着していない場合と比べて有意な減少が見られました。研究者らは4つのタイミングをそれぞれステップ周期の前後にずらしてみましたが、比較的大きくずらしてもエネルギー節約はほとんど変わらず、ユーザーが選んだパターンは効果的であるだけでなく、小さなタイミング誤差に対しても寛容であることを示唆しています。

ユーザーが感じる「自分で動かしている」という感覚

エネルギー使用に加えて、研究チームは外骨格の使用が自分の動きを自分でコントロールしているという感覚にどう影響するかも調べました。参加者は、装置が支援をゼロに設定したときと、自分で調整した支援パターンのときに、それぞれ歩行した後で「自分が動きを引き起こしているかどうか」に関する項目を評価しました。予想通り、装置が積極的に助けていないときの方がより自分で制御していると感じました。しかし部分的な支援があるだけでも、その自己主体感のスコアは明らかに低下し、外骨格の押し引きが歩行者の動きの所有感に影響を与えることが示されました。これは今後の設計において、身体的利益と動きの自然さのバランスを取る必要があることを示唆します。

このアプローチが重要な理由

本研究は、ユーザーが感覚に基づいてヒップ外骨格を調整することで、時間のかかる実験室主導の方法に匹敵するレベルまで歩行のエネルギーコストを短時間で個別化できることを示しています。好まれる設定は個人差が大きく、汎用の一律プログラムでは不十分であることを強調しています。方法が速く、大型の測定機器を必要としないため、高齢者、リハビリ中の患者、日常的に装置を使う人々にとって外骨格の実用性を高める可能性があります。さらに、この発見はユーザーのフィードバックと賢いアルゴリズムを組み合わせ、体だけでなく各人の望む動きにも適応する歩行支援システムの開発につながることを示唆しています。

引用: Schäfer, N., Zhao, G., Li, B. et al. User preference-based human-in-the-loop tuning of exoskeleton assistance during walking. npj Biomed. Innov. 3, 32 (2026). https://doi.org/10.1038/s44385-026-00085-7

キーワード: ヒップ外骨格, 歩行支援, ユーザー調整, ヒューマンインザループ, 代謝コスト