脳はどのように追加の身体部位を制御するのか
(cam.ac.uk)- Cambridgeの研究チームは、ロボット式の追加親指 Third Thumb を一般参加者に試してもらい、特別な訓練がほとんどなくても物体をつかんだり操作したりできることを確認した
- この装置は生体の親指の反対側の手のひらに装着し、両足の 足圧センサー が手を横切る動きと指側への動きを制御する
- 2022年のRoyal Society Summer Science Exhibitionでは、3歳から96歳までの 596人 が5日間参加し、98%が初回使用から1分以内に物体操作に成功した
- 性別、利き手、手先の器用さが必要な職業や楽器学習の経験は課題成績と明確な関連を示さなかったが、若い参加者は全体的により苦戦した
- ウェアラブルな運動拡張技術は、初期設計段階から年齢、身体条件、障害、ライフスタイル、文化的・経済的背景を反映し、包摂性 を検証する必要がある
Third Thumbが目指す運動拡張
- 運動拡張 は、外骨格や追加のロボット身体部位のような電動ウェアラブル装置によって、生物学的な運動の限界を拡張しようとする技術分野である
- こうした装置は健常者の生産性や生活の質を高められるほか、障害のある人にとっては環境と相互作用する新たな手段にもなりうる
- Cambridge MRC Cognition and Brain Sciences UnitのTamar Makin教授は、このような技術が人間の身体、心、日常生活との関係を変えつつあると見ている
- 研究開発の初期段階から 包摂性 を組み込み、測定しなければ、周縁化されたコミュニティは新技術への参加や恩恵を受ける機会を失いかねない
装置の構造と操作方法
- Dani Clodeが開発した Third Thumb は、装着者の可動域、把持能力、手で運べる容量を増やすための追加ロボット親指である
- 利用者は片手では難しい、あるいは不可能な作業を行ったり、他人の助けなしに複雑な両手作業をこなしたりできる
- 装置は生体の親指の反対側の手のひらに装着する
- 制御は、それぞれの足の親指または足裏の下に置かれた 圧力センサー で行う
- 右足のつま先の圧力は、Third Thumbを手を横切る方向へ引く
- 左足のつま先の圧力は、Third Thumbを指の方へ上に引く
- 動きの大きさは加えられた圧力に比例する
- 圧力を離すと元の位置に戻る
596人が参加した公開テスト
- 2022年のRoyal Society Summer Science Exhibitionで、一般来場者が複数の課題を通じてThird Thumbを直接使用した
- 結果は Science Robotics に掲載された
- 5日間で 596人 がテストに参加し、年齢は3歳から96歳までで、多様な人口統計学的背景を含んでいた
- このうち装置を使用できなかったのは4人だけだった
- 装置が手に安定してフィットしなかったケース
- 足で制御できなかったケース
- 展示用に開発された圧力センサーが非常に軽い子どもには適していなかったケースが含まれる
- 参加者は最大1分間、装置に慣れる時間を与えられた後、2つの課題のいずれかの実施方法について案内を受けた
初回の使いやすさを確かめた2つの課題
- 1つ目の課題は、Third Thumbだけ を使ってペグボードのペグを1本ずつつかみ、かごに入れるものだった
- 参加者は60秒間でできるだけ多くのペグを移動させる必要があった
- 333人がこの課題を完了した
- 2つ目の課題は、Third Thumbと生体の手を一緒に使って、異なるフォーム製の物体5個または6個を操作し、移動させるものだった
- 物体はさまざまな形状で、それぞれ異なる操作を必要とし、高い手先の器用さが求められた
- 参加者は最大60秒以内に、できるだけ多くの物体をかごに入れる必要があった
- 246人がこの課題を完了した
成果差を生んだ要因
- ほぼすべての参加者が装置をすぐに使えた
- 参加者の 98% が初回使用から1分以内にThird Thumbで物体操作に成功し、課題を実施できなかったのは13人だけだった
- 参加者間で能力水準には幅があったが、性別による性能差はなかった
- Third Thumbは常に右手に装着されたにもかかわらず、利き手 は性能を変えなかった
- 楽器学習経験や手先の器用さが必要な職業のように、手をうまく使うと見なせる要素も課題成績とは明確に結びつかなかった
年齢による使用難易度
- 高齢者と若年成人は、新技術を使う能力において同程度の水準を示した
- ただし高齢者集団の内部では、年齢が上がるほど性能が低下する傾向が見られた
- 研究チームは、この効果が加齢に伴う感覚運動および認知能力の一般的な低下による可能性があると見ている
- 技術との世代的な関係を反映している可能性もある
- 幼い子どもたちの成績は全体的に低かった
- 課題を完了できなかった13人のうち6人は10歳未満だった
- 課題を完了した子どもの中でも、最年少の子どもたちは年上の子どもより成績が低い傾向が見られた
- 12～16歳の年長の子どもでも、若年成人より苦戦した
包摂的設計が必要な理由
- Dani Clodeは、拡張を単なるツールではなく、身体の延長となる新しい技術的関係を設計することだと考えている
- ウェアラブル技術は、多様な身体を考慮し、設計段階から可能な限り 包摂的 であるべきだ
- 装置は幅広い利用者にとってアクセス可能で、機能的に動作し、人々がすばやく学んで使える必要がある
- Lucy Dowdallは、運動拡張とより広い人間と機械の相互作用が成功するには、利用者の運動能力および認知能力とシームレスに統合されなければならないと見ている
- 考慮すべき要素には、年齢、性別、体重、ライフスタイル、障害、文化的・経済的背景、技術に対する好みや拒否感が含まれる
- 大規模で多様な集団を対象にした 物理的テスト が、この目標達成には不可欠である
包摂的設計が不足したときの失敗事例
- 自動音声認識システムでは、黒人の音声より白人の音声をより正確に認識してしまった事例がある
- 一部の拡張現実技術は、肌の色がより濃い利用者には効果が低いことが示されたことがある
- 自動車の座席やシートベルトは、衝突試験で主に平均的な男性サイズのダミーに合わせて設計されてきたため、女性は交通事故でより高い健康リスクにさらされている
- 右手優位の使用やグリップに合わせて設計された危険な電動・産業用ツールは、左利きの人が非利き手で使う際に、より多くの事故につながった事例がある
- 関連論文は Assessing First Time Usability of a Hand Augmentation Device in a Large Sample of Diverse Users. で、2024年5月29日の Science Robotics に掲載された
1件のコメント
Hacker Newsのコメント
アキレス腱が断裂して完全再建手術を受け、親指を動かしていた腱を外してかかとの後ろに回し、脚の上のほうへ持ち上げて、それを軸にアキレス腱を作り直した。
今では、もともと足指を動かしていた筋肉が足全体を動かしている。最初は足指を動かそうとすると別の部位が動いて奇妙だったが、医師の指示どおり3か月間ほぼベッド上安静で脚を上げて過ごし、筋肉はすっかりふにゃふにゃになった。その後、プールとジムで数か月間リハビリをして再び動かし始めると、脳はすでに「この筋肉は足指ではなく足を動かす」と適応していて、意識して再学習する必要はなかった。
いくつもの学習サイクルを経験してきた今ならこの言葉は理解できるが、子どもの頃はシステムやルールに頼りがちな性格のせいで大きな壁だった。皮肉なことに、水泳選手だった10代の頃、スピードと技術で最大のブレークスルーをもたらしたのは数千時間の反復から生まれた直感だったし、「概念化しない技術」を理解するには、さらにずっと長い年月と優れたピアノの先生が必要だった。
私の場合、温水の治療用プールを使えたことが決定的で、毎日1時間、ほとんど這うようにして入り、最終的には歩いてジムを出られるようになった。
そのとき、脳は単純なことをしているのではなく、いくつもの次元で複雑に適応し補正しているのだと気づいた。足も同じで、私たちが思っているよりずっと深いところで働いている。おそらくその1つの筋肉だけでなく、周囲のすべての筋肉が一緒に歩行を助けているのだろうし、50個くらいの筋肉が関わっていても驚かない。
カーブカット効果というものがある。特定の障害を持つ人に配慮して変えたものが、予想以上に広く役立つようになる現象だ。
名前はADAに基づいて車椅子利用者のため交差点に設置された段差解消スロープに由来するが、実際にはベビーカーや自転車などにも非常に役立った。字幕も同じようなもので、ほかにも例は多い。ここではその逆なのではないかと思う。健常者を対象にした技術を作り、健常者がどう適応するかを研究していけば、いつか普及させられるかもしれない。指がすべて使える人のほうがはるかに多いので市場はより広いが、いったん製品化され普及すれば、本当に必要としている人たちにも大きな助けになる可能性が高い。
カラーテーマ対応は色覚特性向けモードに必要だし、UI要素のラベルやタグはスクリーンリーダーだけでなく自動テストスイートにも役立つ。設定可能なショートカットキーは、補助入力デバイスでアプリを使いやすくする。この関係は非常に強く、大企業もそれを理解していて、Google社員向け研修でも関連する講義を受けた。
同じカーブカットでも、今では視覚障害者や弱視の人が歩道と車道の切り替わりを触覚で分かるように凹凸のあるパネルを入れなければならないが、このパネルは車輪付きのものにとってスロープをずっと使いにくくする。
もちろん、政府の構造そのものを変えるほど啓蒙されてはいなかっただろうが。
Marshall McLuhanの著書『Understanding Media』の正式な題名は「Understanding media: the extensions of man」で、車に関する章もあった。
スリップした瞬間のぞっとする経験、車がもはや自分の制御下にないことが明確になる1秒間の恐ろしいアドレナリンの噴出を経験したことがあるなら、彼が何かを言い当てていたのだと分かる。車は身体の拡張、追加の身体部位に近い。
また子どもの頃、私の国では軽量オートバイ、スクーター、自転車に必ずしも方向指示器が付いていなかったので、左右に曲がる合図として手信号をよく使っていた。一度、廊下を歩いていて右側の廊下か通路に曲がる必要があり、何気なく手信号を出してしまったこともある。
山歩き中にLSDを摂取した状態で非常に生々しい体験をしたのだが、生存に必要な資源をすべて身につけて運び、自分が採用しているサイボーグ的性質を完全に理解した。水を適切な器官へ送るホース、折りたたんで収納してある追加の住まい、有害な病原体から水を分離して生き延び続ける能力、必要なときに点けられる火、そして本来は食べにくい、または消化しにくい食べ物を調理する器のようなものだ。認知過程は、自分自身に提供した新しい可能性を中心に再編成され、その能力について考えるのではなく、その能力で考えるのだと言える。
少し関連する話として、昨年頭をぶつけて以来、左側の低周波の聴力をほとんど失った。もともと聴力の低下はあり、反対側はすでに高周波の聴力がほとんどなかった
しばらくは誰の声もリスのように聞こえていたが、1年たった今では主観的にはほとんど違いを感じない。今でも方向の判断は難しく、サイレンがどちら側から鳴っているのか混乱するが、音楽は以前のように聞こえる。知っている人の声も、まさに以前と同じように馴染みがある。ただ、今では電話で初めて聞く人の性別を判別しにくい。現実に対する主観的な経験がこれほど安定して保たれ、脳が欠けた部分を覆ってパッチしてしまうのは、とてもシュールだ。視野を上下逆さにする眼鏡にも人は数日で慣れるという話が、今ではずっと信じられる
ctrl labs、のちにFacebookに買収されたところの初期デモは本当に興味深かった
前腕にセンサーバンドを巻き、脳が送る電気信号を機械学習で解釈していた。実際の動きより前に動かそうとする意図を読み取ることができ、指を実際に動かさなくてもよい完璧なキーボードがあったという。興味深いのは、そこで働いていたある人が3本目の腕の使い方を見つけたという点だ。記事は見つけられなかったが、この記事が似ている: https://www.theverge.com/2018/6/6/17433516/ctrl-labs-brain-c...
いくつかの振動モジュールで作った触覚コンパスに関するドキュメンタリーを見たことがある。道案内の能力を向上させ、記憶が正しければ、人々は約1週間後にはこの追加感覚に慣れていた
元の研究は1990年代のどこかにあったような気がするが、簡単には見つけられず、複数のハッカーやアーティストがこのアイデアを再制作したり再発見したりしていた。例えば https://blinry.org/compass-belt/
振動はまったく合わなかった。強さをどう調整しても、ただブーンとうなる感じで、身体に内在化されなかった。代わりに、北に近づく度合いを方向性のある「チック」という線のような感覚で表す小技を使ったところ、ほぼすぐに馴染んだように感じた。プロジェクトは結局完成しなかったが、このアイデアは本当に気に入っている
https://youtu.be/7UaAwTuahWo?si=YFBq1trurHq0P7i-
VRファーリーたちがコンピューターのアクセシビリティ技術を推し進めていることを思い出す: https://x.com/Neon_woof/status/1746993539160920144
その親指が自分の神経系と統合されたらどんな感じになるか、正確に想像できる。これがどれほど一般的なのか気になる
ごく幼い頃から、各身体部位の感覚に魅了されていた。指を一本ずつ触るときにそれぞれがどう違うのか、反対側の手にも似たような感覚の範囲があるのかが興味深かった。6本目、7本目の指が既存の指の後ろに連なっていたらどんな感じか、正確に分かる気がする。今、右腕の下に2本目の右腕が付いたら、「右側」でありながら「下側」でもある感じがして、すぐに使えるような気がする。ただ、これが長く残っている子どもの頃の想像にすぎないのか、検証する方法はない
尻尾がないように感じる現実とのずれのため、何年もそういう姿の自分を想像してきたなら、現実とは異なる身体部位を持つ想像はしやすくなる
「Third Thumbは生物学的な親指と反対側の手のひらに装着し、それぞれの足の親指または足裏の下に置いた圧力センサーで制御する」とある
医師ではないが、代わりに長掌筋で制御したらどんな感じになるのか気になる。理解している限りでは重要な役割はあまりなく、14%の人にはそもそも存在せず、皮膚に近いので筋電図（EMG）で信号を拾える。指にもより近いので、別の用途に再学習するのがより直感的かもしれない
[0] https://en.wikipedia.org/wiki/Palmaris_longus_muscle
人間が全般的に道具の使用に長けていることを考えると、それほど特異な発見のようには見えません。物体を手に取って自分の身体の一部のように使うことは、私たちにとってかなり標準的です。
車の運転を覚えるのは実際かなり難しかった記憶がありますが、今ではレンタカーでさえ、ほとんど無意識に制御できる身体の拡張のように感じます。もちろん、完全に無意識の状態で車を運転することは推奨しません。