電気なしで「伸びたら縮む」　東北大がひざの反射をロボットで再現

公開2026.10.27
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病院の健康診断で、ひざの下を小さなハンマーでトンと叩かれ、脚が勝手にピョンと跳ね上がった経験はありませんか。この「膝蓋腱（しつがいけん）反射」と同じ動きを、電気のセンサーも電子回路も使わずにロボットで再現することに、東北大学のチームが成功しました。

研究は、東北大学大学院工学研究科の古関駿介さん（日本学術振興会特別研究員）、林部充宏教授、大脇大准教授によるもので、10月22日に学術誌『アドバンスト・インテリジェント・システムズ』に掲載されました。

ニュース本体：「伸びたら縮む」を部品の組み合わせだけで実現

私たちの体には、意識しなくても素早く起こる「反射」という仕組みがあります。膝蓋腱反射もその一つで、筋肉が急に引き伸ばされると、筋肉の中にある「筋紡錘（きんぼうすい）」というセンサーがそれを感じ取り、筋肉を縮ませます。こうした反射は、歩いたり姿勢を保ったりする動きを陰で支えています。

人の筋肉や骨格をまねた「筋骨格ロボット」の研究では、コンピューターのシミュレーションで、筋肉が一定以上伸びたら縮むという「筋長フィードバック」を入れると、人らしい歩き方が生まれることが知られていました。ところが実際のロボットでは、空気で動く人工筋肉の長さを測るのに複雑な電子センサーが必要で、実現が難しかったといいます。

そこでチームは、人工筋肉を2本並べる「反射モジュール」を考えました。1本は力を出す「筋線維」の役、もう1本は長さを感じる「筋紡錘」の役です。電子センサーや電子回路を使わず、部品の組み合わせ（機構）だけで、筋肉が一定以上伸ばされると自動的に縮む仕組みになっています。大学の発表では、水洗トイレのタンクの浮き玉が、電気を使わずに水を止める仕組みにたとえています。

筋紡錘役の人工筋肉に送る空気の圧力を変えることで、反射が起きる長さ（しきい値）を調整したり、反射のオン・オフを切り替えたりできます。チームはこのモジュールで膝蓋腱反射を再現したうえで、片脚に4つのモジュールをつけた二足歩行ロボットを作りました。足の裏のセンサーの情報に合わせて空気圧をオン・オフするだけの簡単な制御と組み合わせ、ルームランナー（トレッドミル）の上で歩かせることに成功しています。

独自リサーチ：ロボットの「頭を使わない歩き方」の歴史

今回使われたのは「マッキベン型人工筋肉」と呼ばれる、空気を送ると縮む人工筋肉です。ゴムの管を網目状のスリーブで包んだ構造で、空気でふくらむと網目が横に広がり、そのぶん長さが縮みます。もとは1950年代、アメリカの物理学者ジョセフ・マッキベンが、1952年にポリオ（小児まひ）で首から下がまひした娘のために開発したもので、肩の動きでレバーを操作すると指を動かせる装置でした。

「脳（コンピューター）がすべてを計算しなくても、体の仕組みそのものが動きを生む」という考え方にも長い歴史があります。1980年代後半、カナダのサイモン・フレーザー大学にいたタッド・マクギーア氏は、モーターも筋肉もない人型の脚が、重力と脚の振り子運動だけで坂道を歩いて下りる「受動歩行」を示しました。2005年には学術誌『サイエンス』で、この原理を生かしたロボットが発表され、米コーネル大学の二足歩行ロボットは、歩くのに使うエネルギーの効率が人と同じ水準（移動の効率を示す値で0.20）だったと報告されました。比べて、ホンダのASIMOは3.23で、効率では大きな差があったとされています。

今回の研究は、この「体に計算を任せる」流れを、反射という神経の働きにまで広げたものといえます。ロボットのコンピューターが受け持つ仕事を減らせれば、計算の負担や消費電力を抑えられるというのが、チームの狙いです。

日本への影響：やわらかいロボットが暮らしの近くへ

空気で動く人工筋肉は、金属のモーターに比べて軽く、やわらかいのが特徴です。人にぶつかってもけがをさせにくいため、体に身につける補助装置や、人のそばで働くロボットに向いているとされます。高齢化が進む日本では、介護やリハビリの現場で、人に寄りそって動く機械への期待が高まっています。

一方、こうしたロボットは、たくさんのセンサーや電子回路を積むほど、重く、高く、壊れやすくなりがちです。必要な仕組みの一部を部品の組み合わせに置きかえる今回の考え方は、シンプルで電気をあまり使わないロボットづくりにつながる可能性があります。チームは今後、必要最小限の電子制御と組み合わせた設計を進め、より多くの筋肉をもつロボットへの発展を目指すとしています。

意見：「賢い体」はロボットの新しい常識になるか

私は、この研究のおもしろさは「ロボットを賢くするには、高性能なコンピューターが必要」という思い込みをゆさぶる点にあると考えます。人も、熱いものに触れたとき、考える前に手を引っこめます。すべてを脳で判断していたら間に合わないからです。ロボットでも、素早く確実に起きてほしい動きを体の仕組みに任せるのは、とても理にかなった発想です。

ただし、今回の歩行はトレッドミルの上という整った環境で、細かな速度や安定性のデータは大学の発表では示されていません。でこぼこ道や坂道、押されたときの立て直しなど、現実の環境でどこまで通用するかは今後の課題です。それでも、AIやコンピューターの性能ばかりが注目されるなかで、「体のつくり」から知能を考えるアプローチを日本の大学が進めていることは、注目に値すると思います。

まとめ

東北大学のチームは、2本の人工筋肉を組み合わせ、電子センサーや電子回路を使わずに「伸びたら縮む」反射を生むモジュールを開発しました。ひざの膝蓋腱反射をロボットで再現し、片脚に4つのモジュールをつけたロボットでトレッドミル上の二足歩行にも成功しています。計算や電力に頼りすぎない、やわらかく賢いロボットづくりにつながる研究として、今後の発展が期待されます。

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