In-vivo actuation of compliant dielectric elastomer artificial muscles via a peripheral nerve interface

自分の体の配線が、自分の中に植え付けられた小さな合成筋肉を直接制御できる世界を想像してみてください。これはサイエンス・フィクションではありません。「フレキシブル・バイオエレクトロニクス（柔軟なバイオ電子工学）」と呼ばれる、私たちの柔らかく、ぷにぷにとした生物学的な組織と、硬くて頑丈な機械の世界との間の溝を埋めようとする最先端の分野です。長年、科学者たちは私たちの神経の声に「耳を傾け」、指を動かしたり目をまばたきさせたりする電気的なささやきを解読するセンサーを作ることに長けてきました。しかし、私たちの組織に対して「言葉を返し」、本物の筋肉と同じような優しいタッチで、押し、引き、あるいは絞るような動きができる機械を作ることは、非常に困難な課題でした。問題は、ほとんどの人工筋肉が、ロボットのアームのように硬すぎるか、あるいは本物の皮膚を動かすには弱すぎるかのどちらかであることです。これを解決するために、研究者たちは「誘電エラストマー・アクチュエータ（DEA）」に注目しています。これらは、キャパシタ（電気を蓄える装置）として機能する、極めて薄く伸縮性のあるゴムシートだと考えてください。高電圧をかけると、中央部分が押しつぶされて横に広がり、本物の筋肉が収縮する様子を模倣します。大きな疑問は常にこうでした。これらの繊細で高電圧を扱うゴムシートを、安全に防水スーツで包み込み、生体内で神経から直接制御されながら、躍動させることはできるのだろうか？

この論文は、「はい、できます」と答え、彼らは生体内の動物の中で初めてそれを実現しました。ステファニア・コンスタンティニディ率いる研究チームは、顔面麻痺を持つ人々が再び笑顔になれるよう、助けるための「人工筋肉」を構築することを目指しました。顔面麻痺は、口角を引き上げる筋肉へと神経が情報を伝えなくなることで、顔が中立的、時には悲しげな表情で固まってしまう困難な状態です。現在の治療法は、体の他の部分から筋肉を移動させる複雑な手術を伴うことが多く、それには長い時間がかかり、脳がその筋肉を使うための再学習も必要です。チームは、よりソフトなアプローチをテストしたいと考えました。それは、皮膚のすぐ下に位置し、神経からの信号を待機する、小さく伸縮性のあるインプラントです。

まず、彼らは筋肉を設計しなければなりませんでした。彼らは、伸縮性のあるシリコーンの層の間に柔らかいカーボン電極を挟み、さらにPET（水筒にも使われるプラスチック）製の細く強い繊維で補強した「強化型」のゴムシート（rDEA）を作成しました。これらの繊維は、木材の「木目」のように機能し、筋肉が特定の方向に伸びるように制御します。これは本物の筋肉の繊維と同じ仕組みです。彼らはこれらを、フェイクの皮膚（シリコーン）で覆われた人間の頭蓋骨を模したリアルなモデルでテストしました。電圧をオンにすると、人工筋肉が伸びて、フェイクの皮膚の口角を引き上げることを確認しました。彼らは、本物の顔の皮膚のような負荷の下で、筋肉を14%まで引き伸ばすことに成功し、ベンチトップ（実験台の上）での概念実証を行いました。

そして、本当のテストが始まりました。生き物の中に組み込むことです。チームは、この実験に麻酔をかけたラットを使用しました。ラットの背中の皮膚の下に小さなポケットを作り、そこに完全に包まれた小さな人工筋肉を滑り込ませました。人工筋肉が単に摩擦で動けなくなるのではなく、実際に皮膚を動かせるようにするために、彼らは特殊な超音波ジェルを使用しました。これは潤滑剤として機能し、インプラントと皮膚の間の抵抗を減少させました。7 kV（キロボルト）の高電圧を印加したところ、インプラントはラットの皮膚を押し上げ、最大0.78 mmまで動かすことに成功しました。これは非常に小さく聞こえるかもしれませんが、微小なインプラントの世界においては、大きな飛躍です。

しかし、最もエキサイティングな部分は、「神経インターフェース」でした。チームは、単にリモコンでスイッチを入れるのではなく、ラット自身の神経系に仕事をさせたいと考えました。彼らは、ラットの坐骨神経（脚の主要な神経）に、柔軟なカフ（小さなブレスレットのようなもの）を取り付けました。神経を刺激すると、電気信号がカフを通じて伝わり、人工筋肉を起動させました。筋肉はリアルタイムで反応し、神経信号と同期して皮膚を動かしました。彼らはさらに、瞬きや笑顔のような自然な動きの範囲をカバーする、毎秒0.5回から3回の異なる速度でもテストを行いました。遅延はわずか数ミリ秒であり、これはシステムが本物の笑顔のスピードに追いつけることを意味します。

チームが用いた一つの巧妙なトリックは、筋肉に対する「逆転した」考え方です。本物の筋肉は収縮することで口を引き上げます。しかし、この人工筋肉は逆の働きをします。電圧が「オフ」のとき、それは自然に皮膚を引き上げ、笑顔を作ります。電圧を「オン」にすると、それは引き伸ばされて、皮膚を中立の状態に戻します。これは、麻痺を抱える患者にとって、実は「スーパーパワー」となります。もしインプラントが常に「オン（笑顔を維持）」の状態であれば、電荷を保持しているだけのバッテリーのような状態なので、維持するための電力はほとんど消費しません。エネルギーが必要なのは、力を抜いてリラックスさせる時のわずかな瞬間だけです。これにより、将来のデバイスは、バッテリーを消耗させることなく、麻痺した顔を幸せで左右対称に見せ続けることができるのです。

研究者たちは、これが初期段階の「急性（acute）」研究であることを慎重に指摘しています。つまり、動物を眠らせた状態で実験を行い、テスト直後に人道的に処置を行ったことを意味します。彼らは、インプラントを数週間や数ヶ月間残して、体が時間の経過とともにどのように反応するかを観察したり、人間でのテストもまだ行っていません。また、ラットの皮膚は人間の顔とは異なることや、摩擦を減らすために使用したジェルを、より長く体内にとどまれるものに置き換える必要があることも述べています。しかし、この研究は基本的なアイデアが機能することを証明しました。つまり、柔らかく伸縮性のある高電圧の人工筋肉を体内に植え付け、それが生きた神経の声を聞き、安全に組織を動かせるということです。これは、私たちの神経系と合成ソフト筋肉の間の架け橋が可能であることを示す基礎的な一歩であり、いつの日か、笑顔を失った人々に笑顔を取り戻させるデバイスへの道を開くものです。