2023 Fiscal Year Research-status Report
Development of MRI-compatible hand haptic robot that opens the way for futuristic training methods
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23K17453
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| Research Institution | National Institute of Information and Communications Technology |
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Principal Investigator |
内藤 栄一 国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所脳情報通信融合研究センター, 室長 (10283293)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
古屋 晋一 一般社団法人NeuroPiano(研究開発部), 研究開発部, シニアリサーチャー (20509690)
近藤 敏之 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60323820)
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| Project Period (FY) |
2023-06-30 – 2026-03-31
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| Keywords | ハプティックロボット / ハプティックミラー システム / 機能的MRI / 手指運動学習 / 受動運動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
脳は、期待される感覚を予測し、この予測モデルを立てながら、運動を実行する。予測モデルは自分の運動体験に基づくため、未体験の運動は感覚を予測できず、適切な予測モデルや運動指令を生成できないため、運動をうまく実現できない。つまり、あらかじめ脳に目標とする運動を体験させることができれば、脳はその感覚予測モデルを作成して、この運動をうまく実行できることになる。視覚による運動観察は、脳に運動を体験させる一つの方法であるが、この情報は運動制御そのものに直結したものではない。一方で、体性感覚(圧覚、運動感覚など)の複合的情報であるハプティック情報は、運動制御に直結した情報であるため、手指等を受動的に動かして目標とする運動のハプティック体験ができれば、これが最も直接的かつ効果的に、この運動を習得できる方法となる。
本研究では、手指運動を受動的に体験できるハプティックロボットを用いることで運動学習を促進できることを立証し、この学習促進の脳内メカニズムを機能的MRIで解明することに挑んでいる。2023年度は、MRI内で手指の精緻運動を制御できるハプティックロボットの開発に着手し、現在この改良を行っている。これと並行して、受動運動体験によって運動学習が促進される背後にある脳内メカニズムの基礎研究を行った。片手の能動運動に同期して同時にもう一方の手の受動運動を体験すると、受動運動を体験している手の筋活動を増大できることを突き止めた。また、受動運動体験中に同時にこの運動をイメージすることによっても、受動運動を体験している手の筋活動を増大できることも明らかにした。これらの方法は脳卒中後の手指運動機能改善に有効な方法として大いに期待できるため、現在成果を論文化している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
2023年度には、CiNetが所有するMRI装置(Vida)内で、空気圧で駆動する人工筋によるハプティックロボットを用いて、受動運動訓練中の脳活動を計測できる実験環境を構築することを目標とした。現在までに試作品は完成しているが、世界初の試みであるため、手指の精緻な制御を実現するためには時間がかかっている。一方で、このロボットを使わずに、受動運動体験によって運動学習が促進される背後にある脳内メカニズムの基礎研究を行った。片手の能動運動に同期して同時にもう一方の手の受動運動を体験すると、受動運動を体験している手の筋活動を増大できることを突き止めた。また、受動運動体験中に同時にこの運動をイメージすることによっても、受動運動を体験している手の筋活動を増大できることも明らかにした。これらの方法は脳卒中後の手指運動機能改善に有効な方法として大いに期待できるため、現在成果を論文化している。
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| Strategy for Future Research Activity |
MRI内で駆動する手指ハプティックロボットの完成には、まだ時間を要すると想定される。空気圧を用いて高い精度で制御するための高度な技術が必要であるため、この開発ができる派遣技術員を雇用して開発を加速する。また、完成されるまで、MRI外で使用できる手指ハプティックロボットを用いて行動実験を行う。具体的には、右利き被験者が右手の中指・薬指の交互高速タッピング課題を行う。すべての試行を自分で行う群(Self群)、自分の現在のパフォーマンスよりも上の受動運動を体験する群(Super passive群)、自分の現在のパフォーマンスと同等の受動運動を体験する群(Self passive群)、自分の現在のパフォーマンスよりも上の受動運動を観察する群(Super observation群)を設ける。Super passive群では、Self群よりも学習が促進すること、Self passive群では、Self群でみられる学習の進行を阻害すること、また、Super passive群で予想される学習促進は、Super observation群では観察されないことを検証する予定である。
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| Causes of Carryover |
2023年度にMRI環境内で使用できるハプティックロボットの開発を行ったが、この開発に予想していた以上の予算が必要となったため、運営費交付金で対応した。この完成には、まだ改良が必要であるため、本年度の予算でこの改良費を賄う計画である。また、空気圧で精度高くロボットを制御するために、この技能を有する派遣技術員1名を雇用する。さらに、ハプティックロボットの開発と同時並行で、MRI環境外で駆動するハプティックロボットを用いた実験を計画しており、この研究を加速するため、研究補助員2名を雇用する。
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