新聞に掲載されました日本経済新聞(2007年9月14日版)新聞に掲載されました日刊工業新聞(2004年11月8日版)二関節筋コンソーシアムウェブサイトへようこそヒトや動物の四肢には二関節筋、文字通り隣接する2つの関節に跨って着き両方の関節を同時に駆動する筋が、極めて普遍的に相拮抗して存在する。このような二関節同時駆動の概念は従来の機械機構学にはなかったものである。これまで二関節同時駆動アクチュエータが機械工学界、ロボット工学界に導入された例は寡聞にして聞いていない。ヒトや動物は何故二関節筋を必要としているのであろうか。発現に貢献していることが明らかにされてきた(協調制御モデル)。行い、その成果に基づいて生体力学体系を再構築し、工業界、産業界の革新的発展に寄与することを目的とする。二関節筋と言っても決して特殊な筋ではなく、極く身近な筋で、図1左パネルに示すように上肢では力こぶを作る筋が二関節筋なのである。上腕二頭筋と称し、肩胛骨に起始を発し、肩関節を越え、上腕骨の前面を通り、肘関節を越えて前腕の橈骨上部に着く。肩関節、肘関節と2つの関節に跨って着くので二関節筋と名付けられている。この筋が収縮すると肩関節では上腕を持ち上げる屈曲動作が起こり、同時に肘関節でも屈曲動作が起こる。つの関節を同時に動かす筋である。同図1左パネルの上腕骨の後面、上腕二頭筋の反対側に上腕三頭筋長頭が拮抗する二関節筋ペアとしてあり、上腕二頭筋と逆の働き、すなわち肩関節、肘関節共に伸展に働いている。下肢の拮抗二関節筋ペアは図1右パネルに示すように大腿直筋とハムストリングスである。合して大腿四頭筋腱を作り、膝蓋骨を介して下腿脛骨上部に着く。この筋が収縮すると股関節を屈曲、膝関節を伸展させる。大腿直筋に拮抗する位置にハムストリングスがあるが、大腿部中央の後面全部を占める強大な筋である。この筋が収縮すると股関節を伸展、膝関節を屈曲させる。ここに述べる拮抗二関節筋は動物界には極めて普遍的に存在する筋である。昆虫、外骨格の昆虫の脚リンク機構にも在る。基本的に屈伸運動に対応した構造であるが、第2リンク(前腕或いは下腿)の回内・回外動作にも対応出来る構造ではある。リンク機構の系先端(手根関節部或いは足関節部)の3次元空間での自由な運動に対しては屈伸運動しかできない。上肢、下肢共に拮抗二関節筋群の起始、付着は何れも狭い範囲に纏まっていて、殆どこの屈伸運動面内にあること、さらに屈伸運動面が第1関節周りで少々回転しても拮抗二関節筋群の起始、付着が屈伸運動面から大きく外れることはない。運動のためにだけ準備され、配置された筋であると極言しても差し支えなかろう。行われていることが指摘できる。現行の機械工学界やロボット工学界に見られない2関節同時駆動という概念が、何故ヒトや動物に必要なのか。次元平面の力学計算で済むのであれば、決して困難なことではない。二関節筋を計算座標に組み込むことが求められる。二関節筋が関わる両端の関節には拮抗一関節筋群が在り、その筋配列は複雑である。在る筋或いは筋束に限られる。拮抗二関節筋ペア(f3,e3)の実効筋配置を示す。実在する拮抗二関節筋そのもので、姿勢が変化しても殆ど実効的影響は受けない。構成する筋及び筋束は、肩関節の可動範囲が大きいので姿勢変化に伴って実際の筋及び筋束の構成は著しく変わる。これによって実効筋の出力にどの様に影響するかは今後の研究課題である。実効的に影響を及ぼすかどうか、これも今後の研究課題である。出力を直接計測することは出来ないが、実効筋が四肢2関節リンク機構の系先端の作業座標系に発揮できる出力は計測可能である。示したものが図4左パネルである。間は第1関節の拮抗一関節筋の活動レベルの比率によって出力方向が制御されていることが読みとれる。拮抗筋群の中でも、拮抗二関節筋が出力方向制御に貢献している事実は簡単に体感することが出来る。方向に、姿勢は変えないようにしながら力を入れてみる。その時どちらの筋が固く収縮しているか、親指と他の4指の感触で確かめる。方向に、同じく姿勢は変えないで力を入れてみる。今度はどちらの筋が固くなっているか親指と他の4指の感触で確かめる。方向では4指側、上腕二頭筋が固くなっているはずである。方向の間はこの拮抗二関節筋が出力方向を制御していることが触診で簡単に体感できる。baseの動作解析だけからは二関節筋が深く関わる出力方向制御のカラクリを解くことは殆ど不可能に近いことを指摘しておく。機械工学の力学体系をそのまま導入して始められたために、二関節筋を計算座標系に取り込む事を怠り、単純に関節トルクを計測し解析する以上の手段を講じることがなかった。そのために、図6に示すように致命的矛盾を抱え込む事になったのである。関節座標系として関節トルクだけから系先端作業座標系の出力を計算しその分布を描けば4角形になるが、二関節筋を計算に取り込み、3対6筋の拮抗筋群が系先端作業座標系に協調して発揮する出力を計算しその分布を描くと6角形になる。ヒトを被験者にして実測した出力分布は6角形を示していた。いま、第1関節と第2関節周りのトルク比が1,5:1であるような筋力配分を持つリンク機構で、図5に示すような姿勢条件下で最大出力とその方向を計算してみると、関節座標系ではその方向は23゚となり、その出力と共に、二関節筋座標系として計算した値と明らかな差違が出てくる事が示されている。このような差違が今まで殆ど問題にされることがなかったのは、日常生活レベルでは最大出力より遙かに低いレベルの出力で動作が営まれており、オリンピックレベルの選手が対象になった場合でも、ヒトは筋出力レベルを正確に制御することは殆ど不可能に近く再現性が極めて低い事に由来すると考えられる。ロボットによる検証で、この問題は解決を見るであろう。外骨格系である昆虫の脚リンク機構にさえ存在する。普遍的な存在だが、興味あることに種類によってその筋配列には違いが見られる。図7に示すように極めて特徴的である。霊長類:ヒトから原猿に至るまで同じ筋配列を示す。下腿前面に腓腹筋に拮抗する二関節筋を欠く。有蹄類及びイヌ、ネコ:大腿二頭筋の腱の一部が分岐し下降して踵骨に着く。大腿二頭筋の一部は別れて大腿前面に走り膝蓋骨に着く。欠き、下腿前面に腓腹筋に拮抗する二関節筋を欠く。霊長類はヒトから原猿に至るまで、図7(a)に示す筋配列を同様に持ちながら、サルの仲間では筋の大きさの配分が生活様式を反映して明らかな差違を示すことが報告されている。協調制御モデルに基づく解析が自然人類学領域の研究の視野を広げると期待される。