外骨格（人間）
様々なタイプの外骨格の例[ 1 ]

外骨格は、ユーザーの身体との機械的な相互作用や身体に加えられる力を通じて、動作、姿勢、または身体活動を増強、可能にし、補助し、または強化する着用可能なデバイスです。[ 2 ]

ウェアラブル外骨格の一般的な名称には、エクソ、エクソテクノロジー、補助外骨格、人間拡張外骨格などがあります。エクソスーツという用語が使われることもありますが、通常は主に軟質素材で構成された外骨格のサブセットを指します。[ 3 ]ウェアラブルロボットという用語も外骨格を指すために使用されることがあり、これには外骨格のサブセットが含まれますが、すべての外骨格がロボットの性質を持つわけではありません。同様に、すべての外骨格がバイオニックデバイスに分類されるわけではありませんが、一部の外骨格はバイオニックデバイスに分類されます。

外骨格は、装具（矯正器具とも呼ばれる）とも関連があります。装具とは、手、腕、脚、足など、負傷した身体の一部を物理的にサポートする装具（ブレースやスプリントなど）です。外骨格の定義と装具の定義は部分的に重複していますが、正式なコンセンサスはなく、異なるデバイスの分類に関してはやや曖昧な部分があります。電動装具など、一部の装具は一般に外骨格と見なされます。ただし、バックブレースやスプリントなどの単純な装具は、一般的に外骨格とは見なされません。一部の装具については、その分野の専門家の間でも外骨格であるかどうかについて意見が分かれています。

外骨格は義肢（プロテーゼとも呼ばれる）と関連がありますが、異なるものです。義肢は、腕や脚など、失われた生物学的身体部位を補う装置です。一方、外骨格は、既存の生物学的身体部位を補助または強化するものです。

ユーザーの身体にわずかな力または無視できる程度の力しか与えないウェアラブルデバイスやアパレルは、外骨格とはみなされません。例えば、衣類や圧縮服は外骨格とはみなされません。また、振動する腕時計やウェアラブルデバイスも外骨格とはみなされません。靴や履物など、既に確立された既存のカテゴリーは、一般的に外骨格とはみなされませんが、グレーゾーンは存在し、複数のカテゴリーにまたがる、あるいは分類が難しい新しいデバイスが開発される可能性もあります。

目的

外骨格は、医療、職業、娯楽などさまざまな用途に使用でき、一般的な使用分野によって分類されることが多いです。

医学

上肢医療用外骨格の例[ 4 ]

医療用外骨格は通常、次のような 1つ以上の目的を果たします[ 5 ] 。

  • 身体障害または神経運動障害のある人の動作や姿勢を補助する
  • 怪我や障害の後に人をリハビリする
下肢医療用外骨格の例（有線式と無線式の両方）[ 6 ]

医療用外骨格は、脳卒中、脊髄損傷、脳性麻痺、四肢切断など、特定の身体障害や神経障害を持つ人々をサポートするために設計されています。[ 7 ]これらの外骨格は、バランスをとる、[ 8 ]歩行、[ 9 ]手を伸ばす、[ 10 ]把握する、[ 11 ]協調運動、[ 12 ]またはその他の機能的な動きを助けるなど、さまざまな特定の目的を対象にすることができます。[ 13 ] [ 14 ]リハビリテーションの場合、外骨格は限られた回復期間中に一時的にのみ使用される場合があり、その後はデバイスが必要なくなることがあります。[ 9 ]リハビリテーション外骨格は、例えば、動きを安定させたり、震えを抑えたりするなど、運動障害を持つ人を支援するように設計できます。[ 15 ]あるいは、外骨格は、身体トレーニングを強化したり、体力の回復を助けるために動きに抵抗するように設計することもできます。[ 16 ]この場合、外骨格は短期的には使用者に抵抗することで、長期的には筋力や能力の回復を支援します。いずれの場合でも、外骨格は治療量の増加（例えば、反復回数や難易度の増加）、運動を特定の動作に制限すること、治療を提供するために必要な臨床医の数や臨床医の労力を減らすこと、またはオンボードセンシングによるパフォーマンス評価を提供することにより、リハビリテーションプロセスを強化するために使用できます。補助として、外骨格は慢性的に、断続的に、または一時的に使用できます。外骨格による補助は、機能的電気刺激（FES）[ 17 ]や硬膜外電気刺激（EES）[ 18 ]などの他の技術やモダリティと組み合わせることもできます。

職業

職業用外骨格の様々なタイプの例。（A）製造作業員が工具を握る際の負担を軽減するために使用するソフトパワーハンド外骨格、（B）倉庫作業員が怪我のリスクと疲労を軽減するために使用するソフトパッシブバック外骨格、（C）建設作業員が頭上作業中の肩の負担と疲労を軽減するために使用する硬質パッシブアーム外骨格、（D）医療従事者が患者の移動時に体の姿勢をサポートし背中の負担を軽減するために使用する硬質パワートランク外骨格[ 19 ]

職業用外骨格は、主に職場での怪我や疲労を軽減する目的で開発され、導入されてきました。[ 20 ]しかし、職業用外骨格は、職場の安全性や業務の改善に関連する様々な目的に使用できます。[ 21 ]最も一般的な目的は次のとおりです。

  • 過度の運動や長時間の姿勢による筋骨格障害などの傷害リスクを軽減するため[ 22 ] [ 23 ]
  • 労働者のパフォーマンス（生産性、品質、持久力など）や業務効​​率を向上させるため[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]
  • 労働者の福祉を向上させることで労働者の離職率を低下させ、新規労働者の採用を促進すること[ 28 ] [ 29 ]

軍用外骨格は、職業用外骨格のサブカテゴリーとして見られることが多い。軍用外骨格という用語は、軍人が職務を遂行するのを支援するために使用される外骨格を指す。[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]軍隊の仕事の中には、同等の民間の仕事と類似または同一のものがある。例えば、軍の整備士や兵站作業員は、民間の整備士や兵站作業員と同様の身体的負担を経験する可能性がある。しかし、戦車や砲兵の乗組員のように軍隊に特有の仕事もある。防弾チョッキや荷物の運搬に関連する身体的負担も、民間の仕事に比べて軍隊では高く、特有であることが多い。これらの理由から、一部の軍用外骨格は、軍隊特有の仕事、環境、課題に対処するために開発されてきた。[ 33 ] [ 34 ]

レクリエーション

レクリエーション用外骨格は、ウォーキング、ハイキング、スキー、スポーツなどのレクリエーション活動を行う、または楽しむことを支援することを目的としています。[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]この文脈では、外骨格は、人がレクリエーション活動をより長く、より良く、より少ない負担、痛み、または疲労で行うことを手助けしたり、外骨格の支援とサポートなしではできないレクリエーション活動を行うのに役立ちます。レクリエーション用外骨格の共通の目標は健康的な老化に関連しており、[ 38 ]言い換えれば、年齢を重ね自然に身体が衰えていく人々が身体的に活動的な状態を維持し、好きな活動に従事できるようにすることです。場合によっては、レクリエーション用外骨格は動きに抵抗するように設計され、動きをより困難にすることで筋力トレーニングを強化します。レクリエーション用外骨格は、スポーツ用外骨格または消費者用外骨格と呼ばれることもあります。ただし、職業用および医療用の外骨格の中には、非専門的、つまり消費者向けの用途もあるため、これらのカテゴリーは曖昧になり、デバイスによっては複数の外骨格カテゴリーに該当するものもあります。レクリエーション用外骨格は（医療用および職業用外骨格に比べて）比較的新しいカテゴリーであり、その目的と範囲は今後進化していく可能性があります。

他の

外骨格は他の目的のためにも設計されている。研究や教育を主目的として設計された外骨格もあり、これらはそれぞれ研究用外骨格[ 39 ] [ 40 ]と教育用外骨格[ 41 ]と呼ばれている。宇宙での補助や筋力トレーニングを目的とした外骨格は、宇宙外骨格と呼ばれることがある。[ 42 ]これらは医療用または職業用の外骨格と多少類似しているが、完全に重複するわけではない。場合によっては、特定の外骨格が複数のカテゴリに当てはまることもある。新興技術であるため、外骨格のカテゴリは厳密に定義されていない。外骨格の新しいカテゴリまたはサブカテゴリが徐々に追加され、時間の経過とともに改良されてきている。

カテゴリー

研究者が外骨格を様々な特性によって分類した例[ 43 ]

外骨格は、一般的な用途や使用分野に基づいて分類するだけでなく、様々な方法で分類、あるいはサブカテゴリに分類することができます。外骨格は様々な身体部位やタスクをサポートするために存在し、サイズ、設計、制御、複雑さ、コスト、構造、機能、そして輸送性において多岐にわたります。

体の部位やタスク別

外骨格は、様々な身体部位や作業を支援するために開発されており、[ 43 ] [ 44 ]、多くの場合、これらの用途によって分類されます。しかし、多くのハリウッド映画とは異なり、実際の外骨格はあらゆる作業を実行したり、身体のあらゆる部分をサポートしたりするように設計されているわけではありません。一般的に、外骨格は、特定の作業中に身体の特定の部位を支援するなど、それぞれが特定の目的を果たすように設計されたウェアラブルツールに近いものです。したがって、さまざまなユーザー、ユースケース、環境に合わせて、さまざまな種類の作業や身体の部位をサポートする多種多様な外骨格（ツール）が存在します。

外骨格には、首、肩、肘、手首、手、指、背中、腰、膝、足首、足など、体の部位のうち1つ以上を支援するものがあります。[ 43 ] [ 44 ]場合によっては、体の部位を特定するのではなく、上半身、下半身、全身などのより広い用語が外骨格を説明するために使用されます。歩く、走る、跳躍する、立つ、座位から立位への移行、階段の昇降、屈む、持ち上げる、ひざまずく、道具を持つ、物を扱う、姿勢を維持する、頭上での作業、運ぶ、掴む、バランスを取る、投げる、スキーをするなどの作業や活動を支援するように設計された外骨格があります。このリストは包括的なものではなく、新しい用途をサポートするために新しい外骨格が継続的に開発されています。

構造別

軟性外骨格と硬性外骨格の例。生体力学的力の図は、それぞれの装置がユーザーの背中への負荷を軽減するためにどのように機能するかを示しています。[ 3 ]

構造とは、外骨格の全体的な構造がより剛性（つまり、硬い、堅い）か、より柔らかい（つまり、柔軟、従順）かを指します。[ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ]硬いフレームを持つ外骨格、または主に剛性構造（金属、プラスチックなど）で構成された外骨格は、一般的に剛性外骨格または従来の外骨格と呼ばれます。主に柔らかい構造（繊維、エラストマーなど）で作られた外骨格は、一般的にソフト外骨格と呼ばれ、エクソスーツ、エクソスーツ、またはソフトシェル外骨格とも呼ばれます。[ 49 ]ソフト外骨格は、扱いにくい、不快感を引き起こす、または動きの自由を妨げるという剛性外骨格に関連するいくつかの実際的な課題を克服するための1つの方法として登場しました。[ 50 ] [ 51 ] [ 52 ]ハイブリッド（ソフトリジッド）という用語は、主に剛性構造で構成された実質的なセクションと、主に軟質構造で構成された別の実質的なセクションを含むデバイスに対して時折使用されます。[ 53 ]しかし、実際にはすべての外骨格は剛性コンポーネントと軟質コンポーネントの両方で構成されているため、ハイブリッドという用語は通常はあまり使用されません。ただし、簡潔さと会話の目的のために、外骨格を剛性または軟質の構造カテゴリに分類するのが一般的です。これらは口語的なカテゴリであり、正式には定義されていません。

機能別（作動）

機能（または作動タイプ）とは、外骨格がユーザーに及ぼす機械的力をどのように生成するかを指します。すべての外骨格は人間の動作を補助または拡張しますが、その方法はそれぞれ異なります。これは、電気モーターとガソリンエンジンがそれぞれ車を推進させるものの、動作（作動）方法がそれぞれ異なるのと同様です。外骨格は、動力式または受動式の手段によって作動します。[ 54 ]

電動モーターやその他の動力アクチュエータ（油圧アクチュエータ、空気圧アクチュエータ、エンジンなど）を用いて補助力を生成する外骨格は、一般的にパワード・エクソスケルトンと呼ばれ、アクティブ・エクソスケルトンや電動エクソスケルトンとも呼ばれます。一方、バネ、弾性材料、ダンパー、その他の非動力機構を用いて補助力を生成する外骨格は、一般的にパッシブ・エクソスケルトンと呼ばれ、弾性エクソスケルトンや非動力エクソスケルトンとも呼ばれます。  

各タイプの外骨格にはそれぞれ長所と短所があります。動力付き外骨格は、バネのような動作を超えて、より幅広い支援プロファイルを提供できます。[55] これは、麻痺のある人など特定の集団や、一方向に押すなどの特定のタスクに特に役立ちます。[33 ]しかし、動力付き外骨格はバッテリー寿命が限られており、重くて高価で、制御と意図の認識に関連する課題のために支援が遅れる傾向があります。[ 57 ] [ 58 ]受動型外骨格は軽量で安価で、動きの制限が少なく、充電や燃料補給を必要としませんが、弾性エネルギーの貯蔵と回収に基づいた支援プロファイルのサブセットしか提供できません。

準受動型という用語は、クラッチで制御されるバネまたは弾性要素を備えた受動型外骨格を指すために使用されることがあります。これにより、外骨格は補助レベルの調整、バネによる補助のオン/オフ、またはバネの設定点の調整が可能になります。[ 59 ]準受動型外骨格を受動型外骨格のサブカテゴリーと考える人もいますが、受動型や電動型と並んで準受動型外骨格を独立したカテゴリーと見なす人もいます。これは、機能が実際には連続体として考えるべき理由を例示していますが、簡潔さとコミュニケーションの目的から、少数の機能カテゴリーが使用されることが多いです。  

ハイブリッド（電動-受動）という用語は、電動関節のサブセットと弾性関節の別のサブセットを含むデバイスにも時々使用されます。[ 60 ]ハイブリッドという用語は、特定の動作（例：正の機械的作業の実行）に電動アクチュエーションを使用し、他の動作（例：負の作業の吸収）に受動メカニズムを使用するデバイスを指す場合もあります。これは、自動車の回生ブレーキに似ています。正確なアクチュエーション戦略に関係なく、生体力学的には、すべてのタイプの外骨格は、ユーザーの筋骨格系への機械的負荷と物理的要求を軽減する方法で、ユーザーの体に機械的な力またはトルクを生成することによって、同様に機能します。

携帯性によって

可搬性とは、外骨格が環境に取り付けられていて限られた空間でのみ使用できるか、それとも完全に可搬性があり移動可能であるかを指します。どこにでも着用して持ち運べる外骨格はポータブル外骨格と呼ばれ、アンテザード型や自律型とも呼ばれます。[ 61 ]環境に取り付けられた、または固定された外骨格は、テザード型、静止型、または固定型外骨格と呼ばれます。[ 61 ]たとえば、テザード型外骨格では、アクチュエータまたは電源が地面に設置されるなど、ボード外に配置されている場合があります。あるいは、テザー接続によって安定性が得られることもあります。テザード型外骨格は、たとえば診療所や病院で使用するための医療用外骨格の設計では一般的であり、電動ペダルやトレッドミルと組み合わせて使用​​される場合があります。[ 62 ] [ 63 ]運搬可能性は連続体であり、例えば、係留外骨格は移動カート上に部品が配置されている場合があり、部分的には運搬可能だが、完全には運搬できない。

設計と制御によって

外骨格は、様々な技術的側面によって分類することもできます。例えば、外骨格は提供する支援のレベルによって分類されます。軽度の支援のみを提供するように設計されたものもあれば、特定の動作やタスクに対して中程度、大規模、または完全な支援を提供するものもあります。麻痺のある人の手足を動かす自己バランス型外骨格[ 64 ]は、完全な支援を提供する可能性のあるデバイスの一例です。別の例として、外骨格は制御入力の種類によって分類されます。例えば、手動入力（スイッチ、ジョイスティック、タブレットなど）、音声入力、筋活動制御、力覚検知、または動作検知などです。[ 65 ]さらに別の例として、外骨格は制御戦略の種類によって分類されます。パワード外骨格コントローラは、トルク制御、位置制御、インピーダンス制御、またはその他のさまざまな工学制御アプローチに基づいています。[ 66 ]

その他の特徴

外骨格は、他の特性によっても分類できます。たとえば、外骨格はコストによって分類できます。[ 67 ]外骨格は非常に高価であるという誤解がよくありますが、実際には、デバイスのサイズ、複雑さ、目的が大きく異なるため、外骨格の価格は桁違いに高くなります[ 67 ]。外骨格の価格は通常、数百ドルから数十万ドルです。別の例として、外骨格は、入手可能性や製造場所の観点から、地理的に分類できます[ 44 ]外骨格の入手可能性は地域によって異なり、自動車の場合と同じモデルやブランドが世界中で提供されるとは限りません。規制当局の承認、流通ネットワーク、市場の需要などによって、さまざまな地域でどの外骨格が利用可能かが決まります。外骨格を分類する方法は他にもたくさんあります。たとえば、重量、モジュールの数、外骨格で覆われるユーザーの体のさまざまな領域などです。

分類の限界

外骨格を分類する際によくある間違いは、あるタイプまたは特性のサブセットが本質的に他のタイプまたは特性のサブセットよりも優れている、または劣っていると想定することです。しかし、これらの特性のそれぞれには、関連する利点、制限、およびトレードオフがあります。[ 21 ] [ 19 ]デバイスの特性を知るだけでは、外骨格が他のものよりも補助的、快適、または効果的であるかどうかを知るのに不十分です。特定の外骨格の有効性と適合性は、ユーザーと使用事例だけでなく、設計の多くの側面によって異なります。[ 29 ] [ 68 ] [ 69 ]異なるタイプの特性が多かれ少なかれ望ましい使用事例とシナリオがあります。誤解のないように言うと、構造（剛性から軟質）、機能（電動から受動）、可搬性レベル（ポータブルから有線）、およびその他の特性の全範囲にわたって、動きを効果的に強化または支援できる外骨格が存在しています。

設計上の課題と実装上の考慮事項

The design of exoskeletons requires interdisciplinary expertise and perspectives, including engineering (for mechanical parts and control), apparel design (for soft goods and comfort), human factors (for safety and ergonomics), and psychology (for aesthetics and user acceptance).[19] Because exoskeletons are wearable—and therefore cannot be too heavy, bulky, or restrictive— there are many trade-offs and considerations that must be balanced in the design process. Likewise, successful deployment of exoskeletons requires appropriate implementation, including device fitting, training, and maintenance. When organizations deploy exoskeletons at large scale, there are additional aspects of implementation that must be anticipated and planned for, related to task matching, fitting a diverse workforce, stakeholder communication, ongoing support, oversight, storage, cleaning, turnover, and change management. Deficits in design, usability, or implementation of wearable devices (including exoskeletons) can result in user rejection or abandonment of technology.

A few of the common considerations and challenges faced by exoskeleton developers and implementers are summarized below. These topics are exemplary, not comprehensive.

Comfort

外骨格は動作や姿勢を補助する能力によって定義されるが、外骨格が使用され採用される鍵の 1 つは、デバイスが十分に快適であることだ。学術研究と産業界のフィールド スタディから得られたエビデンスから、身体的快適性[ 70 ] [ 71 ] [ 52 ]熱的快適性[ 72 ] [ 73 ]および心理的快適性[ 74 ] [ 75 ] [ 76 ]の重要性が強調されている。使用者に過大な力を加えたり、擦れを引き起こしたり、圧迫点を作り出したりする外骨格は、使用者にとって不快である可能性がある。身体的不快感の原因の 1 つとして、外骨格のサイズが適切でないか、特定の使用者または十分な範囲の体のサイズや体型に合うように設計されていないことが考えられる。外骨格が過剰な熱を閉じ込めたり、十分な空気の流れを妨げたり、汗の蒸発を阻害したりする場合も、熱的不快感を引き起こす可能性がある。たった1人（またはごく少数）がエクソスケルトンを装着している場合、社会不安や心理社会的不快感を引き起こす可能性があります。また、エクソスケルトンから発生する騒音も、環境によっては心理社会的不快感の一因となる可能性があります。こうした快適性やフィット感に関する問題は、ユーザーによるエクソスケルトンの拒絶や放棄につながる可能性があります。そのため、エクソスケルトンの快適性とフィット感は、エクソスケルトンの設計だけでなく、社会や日常生活への導入においても重要な課題となっています。特に、職業用エクソスケルトンや医療用エクソスケルトンにおいては、適切なトレーニング、フィッティング、快適性チェックを含む導入プログラムが、ユーザーに受け入れられ、エクソスケルトンを長期的に導入していく上で重要な要素となっています。

フィット

外骨格は、身長、体重、体型の点で様々な男性と女性に対応するために、幅広い身体的サイズに合うように設計されなければならない。個人用保護具の歴史を考えると、これは特に重要である。個人用保護具は、男性ほど女性に合うようには設計されていないことが多い。[ 77 ] [ 78 ]身体的フィット感は、静的フィット感と動的フィット感にさらに細分化されることがある。[ 79 ]静的フィット感とは、人間の人体計測特性と外骨格との整合を指す。[ 79 ]動的フィット感とは、人間と外骨格がどれだけうまく動き、相互作用するかを指し、人間と装置の相対的な整合と調整に重点が置かれている。[ 79 ]外骨格は、静的な立位姿勢では快適にフィットするかもしれないが、その設計または制御のために動きを制限または妨げる場合、動的フィット感が悪いと言われる。認知的適合性も重要であり、これはユーザーが外骨格を装着しながら重要な認知能力（例えば、人間情報処理、実行機能、運動選択）を維持できるかどうかを指します。[ 79 ]また、心理社会的適合性など、日常生活や職場環境で外骨格を装着しているのを見られることに抵抗がないかどうかなど、他の種類の適合性に関する考慮事項もあります。

パワーとアクチュエーション

テザーのない動力付き外骨格の場合、電源とアクチュエータのサイズ、重量、タイプは 重要な考慮事項です。たとえば、大型のバッテリーパックはより多くの電力を供給できますが、重くて持ち運びがかさばります。小型のバッテリーパックは軽量ですが、頻繁に交換または充電する必要があります。[ 80 ]バッテリーは熱暴走により爆発する危険性もあるため[ 81 ]、外 骨格の設計では他の電源も検討する必要があります。内燃機関は高いエネルギー出力を提供しますが、排気ガス、廃熱、スムーズに電力を調整できないこと、[ 82 ]および揮発性燃料を定期的に補充する必要があることなどの問題があります。水素電池は一部の外骨格のプロトタイプで使用されていますが[ 83 ] 、いくつかの安全上の問題もあります[ 84 ] 。アクチュエータも軽量でありながら強力であるという課題に直面しています。動力アクチュエータ（サーボモーター、油圧、空気圧など）の選択は、外骨格設計のサイズと重量、機械伝達の効率、電源、および外骨格によって発生する聴覚ノイズにも影響します。

コントロール

人間のユーザーと協調して動くように外骨格を制御することは、意外に難しい作業であり、外骨格分野における大きな課題と今でも考えられています。[ 85 ]外骨格の制御には、センサー、アルゴリズム、アクチュエータが関与し、それらが連携して外骨格装着者の意図を解釈し、動きを支援するか、動きを妨げないように道を空けるかの対応が必要です。さまざまな制御方法が検討されてきました。たとえば、外骨格の制御アルゴリズムは、状態ベースの制御システムに基づいて開発されていたり、人工知能、機械学習、ディープラーニングに基づくその他のインテリジェント制御アルゴリズムを使用して開発されています。[ 86 ]多くの場合、外骨格の目標はユーザーの歩き方、姿勢、動き、環境、または地形に適応することです。これらのアルゴリズムはセンサーデータを分析し、外骨格の支援をリアルタイムで調整することを目指しています。しかし、装着者と一体となって動き、役立ち、安全で、動きを妨げず、ミスが少なく、装着者を煩わせたり危険にさらしたりしない程度に迅速かつ滑らかに反応する外骨格を設計することは依然として困難である。[ 66 ] [ 19 ] [ 87 ] [ 88 ] [ 89 ]制御システムのコンポーネントを選択して統合し、制御アルゴリズムを開発する際には、外骨格の設計とユーザーエクスペリエンスのさまざまな要素を考慮する必要がある。

材料

外骨格の設計において、材料の選択は課題です。なぜなら、これらのウェアラブルデバイスは一般的に、強度と耐久性を備えつつ、軽量でコスト効率が高く、様々な環境で人間が安全に着用できることが目標だからです。研究者たちは、柔軟性、耐久性、強度のバランスが取れた先進的な材料の開発に注力してきました。形状記憶合金、柔軟なポリマー、軽量複合材料などのスマート材料は、柔らかい外骨格部品の製造に研究されてきました。適切な材料の選択と統合は、外骨格が着用者の体にフィットし、必要なサポートと補助を提供しながら快適なフィット感を実現するために不可欠です。[ 90 ]

その他の考慮事項

エクソスケルトンの設計においては、美観、コスト、安​​全性、実用性、使いやすさ、重量、かさばり、動きやすさ、耐久性、製造性、洗浄、メンテナンス、トレーニング、拡張性、ユーザーの先入観、そして経済的な要因など、様々な要素を考慮する必要があります。最終的に、エクソスケルトンの設計者は、数十もの異なる要素とトレードオフのバランスを取りながら、対象ユーザーにとって効果的で、受け入れられ、実装可能なウェアラブル技術を開発するという課題に直面します。

架空の描写

外骨格は、多くの映画、テレビ番組、 SF小説、漫画などで描かれてきました。しかし、現実の外骨格のほとんどは、大衆文化のイメージや描写とは大きく異なります。ロバート・A・ハインラインのSF小説『宇宙の戦士』（1959年）は、未来の軍事装甲の概念を導入したと言われることがあります。その他の架空の外骨格の例には、トニー・スタークのアイアンマンスーツ、エイリアンでエレン・リプリーがゼノモーフの女王と戦うために使用したロボット外骨格、ウォーハンマー40,000では、スペースマリーンズなどの勢力がさまざまな種類のパワーアーマーを使用することが知られています。[ 91 ] Falloutビデオゲームシリーズで使用されたパワーアーマー、 STALKERの外骨格[ 92 ] [ 93 ] [ 94 ]場合によっては、これらの描写が外骨格の設計者や発明者にインスピレーションを与えました。しかし、大衆文化における描写は、一般の人々の間に大きな混乱、誤解、そして過剰な期待を招いてきました。なぜなら、多くの人々はパワード・エクソスケルトンを、大衆文化で見かける空想上の装置と結びつけており、現実のパワード・エクソスケルトンを見たり、触れたりしたことがないからです。こうした大衆文化における言及の一覧は、「パワード・エクソスケルトンを描いた映画一覧」という別の記事に掲載されています。

世紀ごとの歴史

19世紀後半から20世紀初頭

現代の外骨格の定義に当てはまるウェアラブルデバイスは、1800年代半ばから後半、そして1900年代初頭にかけて開発されました。しかし当時、「外骨格」という用語は一般的ではなく、外骨格のカテゴリーも明確に定義されていませんでした。そのため、外骨格に似た前身となるデバイスの多くは、ブレース、サポーター、歩数計、装置などと呼ばれていました。これらには、姿勢、移動（例：歩行、走行、ジャンプ）、身体作業（例：屈曲、持ち上げ、着座、シャベル、道具の取り扱い）、そして様々な身体部位（例：脚、背中、腕）を補助するデバイスが含まれていました。これらの初期の外骨格に似たデバイスは、硬質外骨格や軟質外骨格、受動型（弾性）外骨格や能動型（能動）外骨格など、構造や機能は多岐にわたりました。しかし、限られた歴史的記録から判断すると、これらのデバイスのほとんどはプロトタイプまたはコンセプトであり、ほとんどが商品化されておらず、広く普及したものはなかったようです。

1800年代半ばから1930年代にかけて、長時間の屈曲姿勢やその他の一般的な農作業を支援するために、様々な外骨格型装置が開発されました。これらには、硬質外骨格型装置[ 95 ] [ 96 ] [ 97 ]と軟質​​外骨格スーツ型装置[ 98 ] [ 99 ]の両方が含まれていました。これらの装置の中には、完全に身体に装着する装置もあり、使用者の筋肉と平行に補助力とトルクを提供することで機能し、他の装置は、例えば着座姿勢[ 100 ]や前屈み姿勢[ 101 ]の際に地面に力を伝達することで補助しました。また、ライフル[ 102 ] 、[釣り竿]、[ 103 ] 、[傘]などの道具を扱うための様々な外骨格型装置もありました。[ 104 ] [ 105 ]

この同じ時期には、歩行、走行、その他の運動活動を容易にするための外骨格のような装置もあった。これらには、硬い装置と柔らかい装置の両方があり、受動的（弾性）かつ動力付き（能動）の装置もあった。初期の受動的な硬質外骨格のような装置の一例として、1890年頃にロシアの技術者ニコラス・ヤギンが開発した装置がある。[ 106 ]この装置は、使用者の腰と足の間に接続される弓形のバネで構成され、弾性エネルギーの蓄積と復帰を利用して、歩行、走行、ジャンプを補助することを目的としていた。[ 106 ]ヤギンは関連する他の発明もいくつか開発した。[ 107 ] [ 108 ] [ 109 ]初期の動力付き軟質外骨格のような装置の例として、1917年頃に米国の発明家レスリー・ケリーが走行を補助するために開発した装置がある。[ 110 ]この装置は、バックパックに装着する蒸気エンジン（動力アクチュエータ）で構成されており、使用者の筋肉と平行に走るワイヤー（人工靭帯）に機械的動力を制御・伝達することで、使用者を補助しました。他にも様々な外骨格型装置が開発され、移動を容易にしたり[ 111 ]身体障害者の補助に利用されました。[ 112 ] [ 113 ]

20世紀半ば

ハーディマンIのコンセプト図。このロケットは建造されたものの、その「激しく制御不能な」動きのため、人間によって使用されることはなかった。

20世紀半ばを通して、外骨格型デバイスの開発は続けられました。この時期は、人間の能力拡張とリハビリテーションを目的としたウェアラブル支援技術の可能性と課題を探る時期でした。また、この時期には、ウェアラブルカメラスタビライザーという形で、外骨格の成功例の一つが誕生しました。しかし、これはニッチなソリューションであり、当時は外骨格市場がまだ広く存在していなかったため、この技術は独自のカテゴリーとして発展し、成熟しました。今日でも、カメラスタビライザーは定義に合致するにもかかわらず、一般的に独自のカテゴリーとみなされ、外骨格には含まれません。

1951年、アメリカ陸軍弾道研究所（BRL）は兵士の支援を目的とした動力付き外骨格の研究を開始し、1963年にはBRLの研究員S.ザロードニーが報告書[ 114 ]を発表し、動力付き外骨格の設計と空気圧駆動の試作装置の評価を提案した。このプロジェクトはその後継続されなかったものの、報告書は人間のパフォーマンスを向上させる外骨格装置の開発における技術的課題を体系的に分析した。[ 115 ]

1960年代には、ハーディマンと呼ばれる別の外骨格が、その高度な技術で注目を集めましたが、商業化には至りませんでした。これはゼネラル・エレクトリック社とアメリカ軍の共同開発によるものです。この外骨格は油圧と電力で駆動し、装着者の筋力を25倍に増幅します。そのため、110キログラム（240ポンド）の重量を持ち上げても、4.5キログラム（10ポンド）を持ち上げているような感覚になります。フォースフィードバックと呼ばれる機能により、装着者は操作する力や物体を体感できます。しかし、ハーディマンには680キログラム（1,500ポンド）という重量など、大きな制約がありました。[ 116 ]ハーディマンは、重なり合う外骨格からなるマスタースレーブシステムとして設計されました。スレーブデバイス（外側の外骨格）はマスターデバイス（内側の外骨格）の動きに追従し、マスターデバイスは人間の操作者の動きに追従します。[ 117 ]スレーブスーツの応答時間は遅く、制御の問題により両足を同時に動かすと「機械が激しく制御不能な動き」をします。ハーディマンの歩行速度は毎秒0.76メートル（2.5フィート/秒）と遅く、実用性はさらに制限されました。[ 118 ]

この時期には、様々な外骨格が開発されました[ 119 ]。設計や特性は多岐にわたりましたが、これらも主に研究やデモンストレーションを目的としていました。臨床現場での外骨格の開発と利用についても検討が進められました。例えば、1970年代にはユーゴスラビアで、ミオミール・ヴコブラトヴィッチ教授率いるチームが、麻痺患者のリハビリテーションを支援するために、空気圧駆動と電子制御を備えた下肢デバイスを開発しました。

1970年代には、ウェアラブルカメラスタビライザーが開発され、普及しました。これは、ツール保持型外骨格の一種と言えるでしょう。ウェアラブルカメラスタビライザーは、カメラの重量の一部または全部をユーザーの体幹または腰に向け直すことで、生体力学的に機能します。この荷重経路は、ユーザーの肩や腕を迂回するため、筋骨格への負荷を軽減します。ウェアラブルカメラスタビライザーは、社会や特定の業界で広く採用された最初の外骨格型デバイスの一つと言えるでしょう。

20世紀後半

1980年代から1990年代にかけても外骨格の開発は続き、様々なデバイスが開発され、未来的なコンセプトが構想されました。しかし、この時代の外骨格のほとんどはまだ商品化されておらず、むしろ進化を続けるテストベッドや探索的なプロトタイプの段階にありました。この時期は、硬質外骨格と電動外骨格、そして高度なロボット技術や制御機能の探求が大きな焦点となりました。以下に、この時期の注目すべき代表的な外骨格をいくつかご紹介します。

1980年代、ロスアラモス国立研究所の技術者らは、ピットマンと呼ばれる未来的な外骨格を提案した。これは軍の歩兵用の動力付き外骨格スーツである。設計ではヘルメットに脳スキャンセンサーが組み込まれていたが、複雑すぎて実用的ではないと判断され、結局作られなかった。1980年代の別の外骨格はライフスーツ[ 120 ]で、麻痺のある人が運動能力を回復し、歩行を学ぶための治療運動を行うのを助けるロボットリハビリテーション装置であった。数十年にわたって数十のライフスーツのプロトタイプが作られ、この時期の外骨格技術の反復的で進化する性質を浮き彫りにしている。ライフスーツは当初は有線式であったが、後に携帯可能な外骨格へと開発され、発明者（麻痺のある人）は公道レースでこれを使用して歩行した。しかし、発明者はまた、実験的な歩行試験中にプロトタイプの1つで負傷（裂傷）したことについても語っている。[ 120 ]この事件は安全性の重要性を浮き彫りにしており、安全性はその後数十年にわたって外骨格の設計と検証テストの主要な焦点となった。

下肢用ロボット（動力付き）外骨格の簡潔な部分的歴史[ 121 ] [ 122 ]

この時代には、多くの外骨格が考案・開発され、[ 123 ]当時の技術進歩を活用して、外骨格の工学的・技術的側面を進歩させました。しかし、世紀の変わり目において、外骨格が実用化され、広く普及するまでには、まだ数十年かかりました。ユーザーエクスペリエンス、ユーザビリティ、快適性、そして実社会への導入に関する多くの課題は、まだ優先事項とされておらず、解決されていませんでした。これらは、21世紀における改良と進歩のための主要な焦点領域となりました。

21日初旬

2000年から2020年代初頭にかけて、外骨格分野の焦点は変化し、拡大しました。外骨格の設計、実装、そして普及において大きな進歩がありました。しかしながら、一般の人々の間では、現代の外骨格に関する多くの神話や誤解が依然として存在しています。これは、映画やSF小説における外骨格の描写が原因の一つです。

21 世紀初頭には、人間のパフォーマンスを劇的に変えるロボットによる全身強化外骨格への注目が薄れ、特定の用途やニーズに合わせたウェアラブル ツールとして機能する、より小型でシンプルな外骨格を設計する傾向が強まりました。

2000年から2020年の間に、人間の筋力とパフォーマンスを大幅に向上させることを目的とした、注目を集めた全身（または下半身全体）駆動型外骨格がいくつか開発されました。これらには、TALOS、SARCOS、[ 124 ] BLEEX、HULCなどのデバイスが含まれます。いくつかの印象的な技術的機能にもかかわらず、これらのデバイスは、大きさ、コスト、複雑さ、使いやすさ、意図認識、制御、動作の干渉に関連するいくつかの大きな制限がありました。[ 125 ]最終的に、これらの外骨格はいずれも商品化されませんでした。ただし、麻痺やその他の運動障害のある人を対象とするいくつかの医療用駆動型外骨格の開発と商品化に成功しており（例：Rewalk、Vanderbilt exoskeleton）、RaWalkは2014年にFDAの承認を受けた最初のデバイスです[ 126 ]。 ReWalk は、麻痺患者向けに FDA 承認を受けた世界初のロボット外骨格の一つを開発したイスラエルの企業によって開発されました。

現代の外骨格（2020年頃以降のデバイス）のほとんどは、以前のものよりも小型でシンプル、そして実用的であり、外骨格に対するほとんどの人々の先入観とは大きく異なります。この時代の外骨格の設計上の焦点は、もはやパワー、強度、増強、または未来的な機能の最大化ではなく、特定の問題の解決、快適で実用的な使用、およびユーザーの採用の増加に移りました。[ 21 ] [ 127 ] [ 128 ] [ 129 ]これは、外骨格がより広く採用される場合、快適性、使いやすさ、コスト、シンプルさ、実用性などの側面が、技術仕様、支援レベル、または未来的な機能などの側面と同じくらい、あるいはそれ以上に重要になるという、分野内の一般的な認識と収束する証拠を反映していました。

多くの点で、現代の外骨格分野は、ハリウッドの物語やファンタジーの外骨格の描写から逸脱し、異なる方向に進んでいます。[ 19 ]現代の外骨格の大部分は、スーパースーツやハリウッドの外骨格（例：アイアンマン、オール・ユー・ニード・イズ・キル）というよりも、着用可能なツールに近いものです。

これらのウェアラブルツールは一定のメリットをもたらしますが、その効果は限定的または特定の用途に限られます。例えば、脳卒中後にふくらはぎの筋力が低下している人は、足首用外骨格の使用が効果的かもしれません。製造ラインの頭上作業に従事している人は、肩用外骨格の使用が効果的かもしれません。倉庫や配送センターで資材搬送作業に従事している人は、背部用外骨格の使用が効果的かもしれません。

ほとんどの外骨格は、一日中毎日装着することを想定したものではなく、他の多くのツールと同様に、特定の目的のために、特定のタスクや活動の一部に使用することを目的としています。したがって、現代の外骨格のほとんどは、身体全体を拡張したり、あらゆる動作や活動を強化することを目的として設計されているのではなく、身体の特定の部位や特定のタスクの一部をサポートするように設計されています。

21 世紀初頭には、外骨格に関するいくつかの重要なトレンドがありました。動力付き外骨格は、医療、産業、レクリエーションの目的で使用できるほど軽量かつ手頃な価格になりました。医療用外骨格は、規制当局の承認 (例、FDA 承認[ 126 ] ) を得るのに十分な安全性と、特定の用途に対する医療費償還を受けるのに十分な利点が実証されました。[ 130 ] [ 131 ]受動型外骨格は、動力付き外骨格よりも軽量で手頃な価格で、複雑さが少ないことから人気が高まりました。[ 54 ]ソフト外骨格は、硬質外骨格よりも軽量でかさばらず、制約が少ないことから人気が高まりました。[ 132 ] [ 133 ]デバイスのフィッティング、トレーニング、関係者の教育、社会的受容、メンテナンス、清掃、財務、変更管理などの側面を考慮して、外骨格を社会に最も効果的に実装する方法に重点が置かれました。[ 1 ] [ 29 ]現実世界での外骨格の使用は、特に医療や職業の現場で大幅に増加し、2000年頃にはほとんど使用されていなかったものから、2020年代半ばには現在世界中で推定数十万個の外骨格が使用されているまでになり、[ 67 ] 2030年代までには外骨格の使用が数百万個にまで増加すると予想されています。[ 67 ]

2013年から2020年までの下肢外骨格の簡潔な部分的な歴史。研究の結果、外骨格を着用していない場合と比較して、歩行や走行の効率が向上することが判明した有線（青）および無線（赤）の外骨格を強調表示しています[ 61 ]

21世紀初頭には、外骨格に関する研究が大幅に進展し[ 44 ]、安全性、利点、有効性に関する科学的・臨床的根拠が確立されました。世界中の大学や医療センターが基礎研究開発において中心的な役割を果たし、その後、産業界、臨床現場、日常生活における外骨格に関する大規模かつ長期的な研究が進むようになりました。[ 134 ]現在では、学術研究と産業界による研究が盛んに行われており、外骨格がリハビリテーション、パフォーマンス向上、怪我のリスク軽減に及ぼす影響については、科学的・長期的なエビデンスも蓄積されています。[ 135 ] [ 136 ]

21 世紀初頭には、レクリエーション用、研究用、教育用の外骨格など、新しいカテゴリーの外骨格の出現も見られました。[ 137 ]これらのデバイスの一部は長らく概念化されてきましたが、商業市場に参入し始めたのはごく最近のことです。[ 137 ]たとえば、レクリエーション用外骨格のコンセプトは少なくとも 1800 年代にまで遡りますが、21 世紀初頭まで商業的に利用できませんでした。 2010 年代後半には、より長時間スキーを楽しんだり、膝への負担を軽減したりするために、スキー用外骨格製品が登場しました。[ 138 ] 2020 年代初頭には、歩行、ランニング、ハイキングを支援する外骨格製品も登場し始めました。レクリエーション用外骨格には、消費者に直接販売されるものもあれば、スキーロッジやハイキング パークなどの企業に販売され、訪問者にレンタル オプションとして提供されるものもあります。 2025 年初頭の時点では、歩行を補助するためのレクリエーション用外骨格の多くは、まだ製品化前の段階であったり、商業市場に投入されたばかりの製品であったりします。

2025年現在、市場には100種類を超える外骨格製品が存在し、サイズ、複雑さ、コスト、その他の特性において幅広い範囲にわたります。[ 43 ]しかし、新製品が市場に投入され、市場から撤退したり、新しいモデルに置き換えられたりするため、入手可能な外骨格製品の正確な数を追跡することは困難です。これらの様々な外骨格は、世界中の数十の異なる企業によって開発・製造されており、その中には新興企業から既存企業までが含まれます。また、外骨格の流通、再販、または導入を専門とする企業のネットワークも拡大しています。

現代の外骨格のほとんどは、医療、レクリエーション、または職業上の用途です。現代の医療用外骨格は、さまざまな支援およびリハビリテーションの用途に役立ち、さまざまな国で規制承認および保険償還コードを取得しています。現代のレクリエーション用外骨格は、スキー、ウォーキング、ハイキング、ランニング用に開発されています。現代の職業用外骨格は、肉体的に厳しい作業中に人の脚、背中、腕、手、または首をサポートしたり、工具を扱ったりするために存在します。特定の仕事において、職業用外骨格が職場の筋骨格系障害を軽減し、労働者のパフォーマンスと生産性を向上させることができるという長期的かつ収束的な証拠があります。[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]しかし、2025年の時点で、外骨格は依然として職場における新興技術と見なされています。[ 139 ]職業用エクソスケルトンは、着用可能な職場ツールとして、あるいは従来の人間工学プログラムや介入を補完する人間工学的制御として導入されます。他の新興技術と同様に、エクソスケルトンも21世紀初頭において成功と失敗を経験してきました。しかしながら、全体としてはエクソスケルトン市場は堅調な成長を遂げており、エクソスケルトンは徐々に社会においてより目に見えるようになり、一般的になりつつあります。[ 54 ] [ 67 ]

参照

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さらに読む

  • スニーガ＝アビレス、ルイス・エイドリアン。クルーズ・マルティネス、ジョルジオ・マッケンジー（2024）。外骨格の設計(第 1 版)。ボカラトン：CRCプレス。土井: 10.1201/9781003261995。ISBN 9781003261995。
ウィキメディア・コモンズには、動力付き外骨格に関連するメディアがあります。
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