バイオニックアスリート：最先端義肢が実現するアスレチックの平等

美容と機能の両面で、欠損した身体部位を義肢（ギリシャ語で取り付けを意味する）で置き換えることは常に必要とされてきました。現在の技術は単なる機械的な肢の置き換えを超え、筋電センサーの導入により筋活動で義肢を駆動するバイオメカニカルな領域へと昇華しました。ここでは、特にスポーツ用に設計された義肢を構成する材料に焦点を当て、電子機器ではなく材料面から考察します。

義肢の進化

昔、四肢の深刻な創傷に対する唯一の治療は切断でした。 しかし、欠損肢の置き換えは稀で、貴族に限られていました。最初に記録された義肢はエジプトで発見されました。そこでは、紀元前950年頃の貴族女性のミイラが、木と革で作られた義足の親指と、欠損部分のレプリカとして彫られた爪を持っていました（図1）[1]。

図1. 紀元前959年にエジプトで発見された美観目的の指 [2]。

中世には、義肢がより機能的になり始めました（図2）。戦いで腕を失った男性たちは、戦闘時に盾を保持できる要素を備えた鉄製デバイスで腕を置き換えました。一方、船乗りたちは船上で容易に入手できる材料である、有名なフックで前腕を、木の棒で脚を置き換えました。

図2. 中世の鉄製義手 [1]。

最初の機能的義肢は16世紀にフランスの外科医アンブロワーズ・パレによって考案されました。義肢には立位時にロックできる曲げ膝と、馬上のフランス将校が手綱を握ったり離したりできる手が含まれていました [3]。17世紀には、オランダの外科医ピーテル・ヴェルダインが義肢に関節とより良い脚への取り付けを含めました。後に、義肢には筋肉と腱を模倣するバネが含まれるようになりました。1990年代には、マイクロプロセッサーが義足の膝動作を制御するために導入され、センサーが筋電図刺激を記録し義肢を動かしました（図3）[3]。

図3. 経年による大腿義足の進化 [3]。

三大主要コンポーネント

義肢はその位置により、経上腕、経前腕、経脛骨、経大腿の4つの異なる身体部位を置き換えることができます。用途と位置に関わらず、義肢は使用を容易にするために軽量でなければなりません（元の肢と同等の重さ、すなわち体重の10%（両腕）と30〜40%（両脚）では役に立ちません）。

義肢は3つの主要コンポーネント（サスペンション、パイロン、ソケット）で構成され、義肢のタイプ（美観用または機能用）と位置に関わらず一般的に共通しています [4]。

ソケットは義肢の切断端に取り付ける部分です。ユーザーの快適さと義肢の全効率を保証するため、ソケットが切断端の皮膚を刺激せず、衝撃や力を伝達できることが不可欠です。ソケットは通常、以前使用されていたウールに代わってポリプロピレンで作られます。

サスペンションはパイロンとソケットの接合部です。パイロンを切断端に固定するために不可欠で、通常、吸引法で真空を作り二部品を固定します。

パイロンは義肢の核心部分です。通常、チタンまたは炭素繊維（鋼より強靭、軽量、強力）で作られ、かつて使用されていた木材に取って代わっています。パイロンはしばしば天然皮膚の色に合う柔らかい材料で覆われます。

スポーツにおける義肢

第二次世界大戦後、切断者のスポーツ活動への関与は、彼らが正常な生活に戻る機会となり、ウェルビーイングと社会包摂感を高めました。したがって、欠損肢の置き換え後、さらなるステップとしてスポーツ用義肢の最適化が進みました。

この発展は主にランニングで有名です。1980年代、より激しい身体活動向けに作られた最初の義肢の一つがシアトルフット（図4）でした。内部の柔軟なデルリン（金属とプラスチックの中間特性を持つ結晶性プラスチック）キールがポリウレタンシェルで囲まれ、バネのように作用し、エネルギーの一部を返却しました [5]。

図4. シアトルフットの断面 [6]。

フレックスフット（図5）とリフレックスVSPを利用して、下肢切断者はよりエネルギー効率の良い走行を達成しました。炭素繊維の導入により、実際、正常なランナーの特徴であるつま先走行がより可能になりました [7]。特に、フレックスフットはポリウレタンやポリアセタール製の他の義肢と比較して最高のエネルギー返還率を示しました [5]。

図5. フレックスフット義足 [8]。

最近、南アフリカのオスカー・ピストリウスが、義足両脚切断アスリートとして初めてオリンピックに出場し、技術的ドーピングの議論を巻き起こしました（図6）。短距離選手は医療技術者ヴァン・フィリップス発明のチーターを使用しました。その形状は前進向きに設計されており、踵は含まれていません。

ジョシュ・マクヒューによると [9]、「チーターは自ら跳ねるように見える。その上で静止することは不可能で、ゆっくり動くことも難しい。一度動き出すと、チーターを制御するのは極めて困難だ。」その理由は、チーターが炭素繊維強化ポリマー（ポリエステル、エポキシ、ナイロンなどが炭素繊維を結合）で作られていることにあります。繊維の方向と密度によって、異なる剛性レベルを与えられます。

炭素繊維はバネとして働き、歩行ごとにアスリートの運動エネルギーを蓄え解放します。特に、足関節での負のフェーズと正のフェーズの機械的仕事の比率は、チーターで0.907、健常アスリートで0.401です [7]。

膝関節での機械的仕事は、負のフェーズで11倍、正のフェーズで8倍 チーターの方が健常アスリートより高い [7]。人工肢の強化された弾性特性により、パラリンピック走幅跳選手は義足で踏み切りを行います。

図6. チーター義足を装着してスタートするオスカー・ピストリウス [10]。

走行時、大腿切断アスリートは脛骨切断者より多くの不利を抱えます。主な理由は、膝関節が高複雑性のため機械的に再現するのが難しいためです。大腿切断アスリートの走行は、健側と患側の間でスイングフェーズにおいて最大36%の非対称性が特徴です [11]。したがって、回復期における慣性が義足の加速に影響を与える問題を解決するため、さまざまな解決策が提案されてきました。

ランニングだけではない

スポーツ用義肢の進化はランニングの世界に限定されません。通常、下肢義肢はスキーなど直立姿勢を必要とするスポーツで使用され、上肢義肢はボート漕ぎやサイクリングなどのスポーツで使用されます。後者では、腕による推進と安定性が不可欠です。多くのスポーツでは義肢の適応が必ずしも必要ではありませんが、ほとんどの場合必要です [11]。

サイクリングでは、上肢義肢がブレーキ操作とギアチェンジを可能にする必要があります。標準的な開閉機構で十分です。しかし、競技サイクリングでは、義肢がアスリートのハンドル上のポジション変更能力も保証すべきです [11]。マウンテンバイクでは、ショックアブソーバーがライドの振動をハンドルに伝えるのを軽減できます（図7）。

下肢の場合、歩行と走行に有益なエネルギー蓄積型フットは、サイクリングでは弾性のため適切な推進を妨げる不利となります [11]。一般的に、通常の下肢義肢で推進力を確保できます。それでも、より幅広いペダルや義肢をペダルに固定する曲げなど、いくつかの適応を検討する必要があります。

図7. マウンテンバイク用上肢義肢のピストン適応 [12]。

片側上肢・下肢切断者は、防水義肢であれば通常問題なく水泳できます。 しかし、効率を高めるため、フィンを健全肢のソケットに直接取り付け（図8）、健全肢と同長にすることが多いです [11]。

図8. 水泳用フィン適応 [12]。

さらに、バートレット腱ユニバーサルニーとXT9は、スキーからスノーボード、モーターバイクまでのエクストリームスポーツで使用される義肢です。両義肢は事故で四肢を失ったスポーツマン自身によって発明されました。

未来

ナイキ、アディダスなどの企業もスポーツ用義肢を開発しています。アディダスはカーボンファイバー、ソルボタン（ポリウレタン）、アルミニウムなどの材料を用いた共生義肢ラインを作成しました [13]。ナイキは代わりに、オッサーのカーボンファイバーブレードとインターフェースできる義肢の開発に動き、安定性、エネルギー返還、回復といったメリットを提供しています（図9）。

図9. ナイキ義肢 [13]。

スポーツ用と日常用義肢の価格を下げるため、3Dプリントが製造に採用されています。通常の義肢と同様、3Dプリント義肢はポリプロピレン、ポリエチレン、アクリル、ポリウレタンなどのプラスチックで作られ、内部パイロンにチタン、アルミニウム、炭素繊維を使用します。

スポーツ義肢と日常用義肢の未来は、骨統合（osseointegration）、すなわちチタンを用いて義肢を切断者の骨に直接固定することにあるようです。しかし、骨統合には長所と短所があります。ソケットが不要になるため、不快感と皮膚への圧迫を軽減できます。一方で、感染リスクが高く、患者は突起周囲の皮膚領域を毎日ケアする必要があり、ジャンプや走行などの活動ができなくなる可能性があります。