ブレードランナーと発明の母
原題: Bladerunners and the Mother of Invention
日本語訳
# ブレードランナーと発明の母
問題を目の当たりにし、自分ならもっとうまくできると決意する発明家の話は枚挙にいとまがない。しかし、ヴァン・フィリップスには、他の誰よりも強い動機があった。その問題とは、彼自身の脚だった。1976年、当時21歳の大学生だったフィリップスは、ウォータースキーの事故によって左膝下を失った。それだけでは足りず、その後に支給された義足は、決して技術的な驚異とは呼べるものではなかった。当時の義足は、概して生身の脚や足に近い見た目と動きを目指して設計されていたが、「動き」と言うと、その性能を過大評価しすぎかもしれない。それらは、歩行時に立つための土台や、足を踏み出すための受動的な構造体に過ぎなかった。
フィリップスは、ただ歩くだけ以上のことを望んでいた。しかし、一つだけ問題があった。彼はエンジニアではなかったのだ。事故の前、彼はビジネスを学んでいた。したがって、もしより優れた脚を作るつもりなら、まずはその方法を学ばなければならなかった。
### 大学への復帰
フィリップスは義足に魅了され、最終的にノースウェスタン大学の義肢装具センターで義足設計を学んだ。また、ユタ大学の義肢研究所でも働き、実験に必要な人材と設備の両方に触れる機会を得た。
当時の常識では、義足の足部は人間の足を模倣すべきだとされていた。進化が長い時間をかけて作り上げたデザインを模倣するのは、一見理にかなっているように思える。しかし、単に形状をコピーすることには問題がある。本物の足は、単に脚の底部に取り付けられた「足の形をした物体」ではない。筋肉、腱、靭帯が、歩いたり走ったりする際にエネルギーを蓄え、放出しているのだ。特にアキレス腱は、スプリング(バネ)のように機能する。従来の義足は見た目は正しくても、そのスプリングに相当する機能を持っていなかった。
フィリップスは、やがて「足のように見えるもの」を作ることに固執するのをやめた。代わりに、彼は「足のように機能するもの」を作ることに決めたのだ。
### 足取りに弾みを
後に「フレックスフット(Flex-Foot)」となるものの基本的なアイデアは単純だが、一見して思いつくものではない。それは、「足としてバネを使う」ということだ。よくあることだが、コンセプトを考えるのは簡単な方だ。人間の体重を繰り返し支え、適切なほどにたわみ、数百万回のサイクルに耐え、実用的な義足に収まり、かつ、所有者を時折アスファルトに叩きつけるような破損もしないスプリングを作ることは、はるかに困難である。その答えは、炭素繊維複合材だった。
今日、炭素繊維は航空機から自転車、さらには驚くほど高価な自動車の内装に至るまで、あらゆるところに使われている。しかし、1970年代後半から1980年代にかけては、それはまだ希少な素材であり、設計上の課題は極めて厄介なものだった。義足の足部は、所有者の起きている時間のすべてにおいて繰り返し荷重を受けている。週に数万回の屈曲サイクル、製品の寿命全体では数百万回に及び、一歩ごとに全身の体重が加わり、走行時にはその数倍の負荷が繰り返される。繊維の積層方法や樹脂の選択を誤れば、緩やかな故障では済まない。層間剥離や突然の破断が起こり、装着者はそのまま地面に叩きつけられることになる。さらに、調整(チューニング)という難題も加わった。一本のブレードが、大きく異なる体重や歩行スタイルに対して適切な感触を与えなければならない。つまり、単に棚から「炭素繊維」を取り出して完成とするのではなく、曲率、積層厚、そしてブレードのどの部分にたわみを集中させるかを繰り返し検討する必要があった。フィリップスは単に紙に図面を描いていたわけではない。彼はプロトタイプを自分自身でテストし、自身の証言によれば、積層と形状が実際の使用に耐えうるものになるまで、初期のモデルは何度も失敗を繰り返したという。
硬い足首と人工的な足の代わりに、フレックスフットは脚から下へと伸び、その下側にも回り込む曲線を描いた複合材パーツを採用した。装着者が義足に体重をかけると、炭素繊維の構造体がたわんでエネルギーを蓄える。装着者が前進して荷重が抜けると、スプリングがそのエネルギーの一部を放出する。これは、下腿の生体メカニズムが実際に行っていることにより近い仕組みだった。
### 形態は機能に従う
フィリップスは1984年にフレックスフット社を設立し、その設計は義足のファミリーへと進化していった。特に興味深い進展は、義足は足の形をしていなければならないという制約を捨て去ったことで、設計の自由度が飛躍的に高まったことだ。そこから、あの見慣れた「ランニングブレード」が生まれた。
フレックスフット社を買収したアイスランドのÖssur(オッスール)社による後の「チーター(Cheetah)」ランニングフットは、そのアイデアを論理的な帰結へと導いた。それは、人工的な人間の足であるという見せかけをほとんど持たない。それは、J字型に近い形状をした、長く湾曲した炭素繊維のスプリングである。荷重をかければ曲がり、荷重を離せば跳ね返る。パラリンピックを観たことがあれば、おそらく目にしたことがあるはずだ。
工学的な観点から見ると、この設計には格別の満足感がある。最初の本能的な衝動は、元のデバイス、つまり人間の足や脚を模倣することに向かう。しかしフィリップスは、そのシステムが「実際に何をすべきか」を特定した。これは義足以外にも広く適用できる教訓である。自然界の解決策が必ずしも唯一の解決策とは限らず、生物学的システムの外見をコピーしても、必ずしもその挙動を再現できるわけではない。飛行機が翼を羽ばたかせないのと同じことだ。
### 良すぎるのか?
もちろん、義足が切断者が競技レベルで走れるほど高性能になったとき、奇妙な疑問が生じた。「良すぎてしまうことはないだろうか?」という問いだ。これは2007年から2008年にかけて正式な法的紛争となった。国際陸上競技連盟(現・ワールドアスレティックス)が、Össur社のチーター・フレックスフット・ブレードを使用して走る南アフリカのスプリンター、オスカー・ピストリウス(両足切断者)に対し、健常者との競い合いを禁じようとしたのである。
連盟側の主張は、ドイツのスポーツ科学者ゲルト=ペーター・ブリュッゲマンの研究に強く依拠していた。彼は、ブレードが機械的に十分に効率的であり、連盟自身の「スプリング、車輪、またはその他の利点を与える装置」を禁じる規則に抵触する不当な補助手段にあたると論じた。対するピストリウス側は、MITのバイオメカニクス研究者ヒュー・ヘアが主導した独立したテストを提示し、測定可能な優位性はないと反論した。2008年にスポーツ仲裁裁判所に持ち込まれた際、パネルはピストリウス側に有利な判決を下した。連盟側が、チーター・フレックスフットの使用による代謝的な利点について十分な証拠を示せなかったとし、禁止措置を覆したのである。
この判決は、根底にあるバイオメカニクスの問題を解決したというよりは、その問いがいかに複雑であるかを露呈させた。ランニングブレードは軽量で、蓄えられた弾性エネルギーのかなりの部分を回帰させるが、それらはモーターではない。投入されていないエネルギーを返すことはできないし、生身の脚が提供する能動的な筋肉の寄与(特にスタート時やカーブでの動き)も欠いている。脚の質量、接地時間、力の発生、あるいは加速のメカニクスといった、どの変数を分離して考えるかによって、義足は有利にも不利にも見え得る。これは、スポーツの出場資格に関する裁定という形を借りた、真に未解決のバイオメカニクスの問題なのだ。
この論争は、やがて工学的な問題であると同時に、何をもって「正常な」人体とするかという問いへと発展していった。発明がこのような問題を抱えるというのは、実に驚くべきことだ。数十年という間に、問いは「切断者がより良く歩けるようにできるか?」から、「この義足は、まだ脚を持っている人々に対して不公平ではないか?」へと変わっていたのである。
### 偽物の足よりも優れたもの
フレックスフット社は2000年にÖssur社に買収された。フィリップスは1997年にレメルソンMIT賞を受賞し、2008年には全米発明家殿堂入りを果たした。同じ2008年は、スポーツ仲裁裁判所の判決によって彼の設計がスポーツの出場資格を巡る論争の中心となった年でもある。彼のオリジナル設計の系譜は、今日でも使用されている。エネルギー蓄積・回帰型の足部は、今や現代の義足における当たり前の要素となり、特化したランニングブレードは切断者アスリートの代名詞となっている。
たとえ義足を設計することがなくても、そこから得られる教訓は貴重なものだ。問題を解決しようとする際、自然界のものや以前のデザインなど、すでに存在するものを模倣するのは自然なことだ。しかし、真のイノベーションは、一歩引いて「自分たちが本当に必要としているものは何か」を考えたときに生まれることが多い。すべての穴を……で作る必要はない。
原文(英語)を表示
There are plenty of stories about inventors who see a problem and decide they can do better. But Van Phillips had a little more motivation than most. The problem was his own leg. In 1976, Phillips was a 21-year-old college student when a water-skiing accident cost him his left leg below the knee. If that wasn’t bad enough, the prosthetic leg he received afterward wasn’t exactly a technological marvel. Prosthetic limbs of the era were generally designed to look and act something like a biological leg and foot, but “act” might be giving them too much credit. They were passive structures that provided something to stand on and roll over while walking.
Phillips wanted to do more than walk. There was just one problem: he wasn’t an engineer. Before the accident, he had been studying business. So, if he was going to build a better leg, first he was going to have to learn how.
Back To School
Phillips became fascinated with prosthetics and eventually studied prosthetic design at Northwestern University’s Prosthetic-Orthotic Center. He also worked at the University of Utah’s prosthetics laboratory, where he had access to both the people and equipment he needed to experiment.
The conventional wisdom was that a prosthetic foot should imitate a human foot. That seems perfectly reasonable — evolution has had quite a long time to work on the design. But there’s a problem with simply copying the shape. A real foot isn’t just a foot-shaped object attached to the bottom of your leg. Muscles, tendons, and ligaments store and release energy as you walk or run. Your Achilles tendon, in particular, acts very much like a spring. A conventional prosthetic foot might look right, but it didn’t have anything corresponding to that spring.
Phillips eventually stopped worrying so much about making something that looked like a foot. Instead, he decided to make something that worked like one.
Spring In Your Step
The basic idea behind what became the Flex-Foot is simple, but unobvious: use a spring as the foot. As is often the case, the concept is the easy part. Making a spring that will repeatedly support the weight of a human being, flex the right amount, survive millions of cycles, fit into a practical prosthesis, and not occasionally snap and dump its owner onto the pavement is considerably harder. The answer was carbon-fiber composite.
Today, carbon fiber turns up everywhere from airplanes to bicycles to suspiciously expensive automotive trim. In the late 1970s and early 1980s, though, it was still an exotic material, and the design problem was genuinely nasty. A prosthetic foot spends every waking hour of its owner’s life under cyclic load — tens of thousands of flex cycles a week, millions over a product’s lifetime — with a full body weight snapping through it on every step and several times that on every stride of a run. Get the fiber layup or resin choice wrong, and you don’t get a gentle failure; you get delamination or a sudden snap, with the wearer still attached. Tuning it added another layer: the same blade has to feel right for wildly different body weights and gait styles, which meant iterating on the curvature, the laminate thickness, and where along the blade the flex was concentrated, rather than just picking “carbon fiber” off a shelf and calling it done. Phillips wasn’t merely drawing this stuff on paper, either — he tested prototypes on himself, and by his own accounts the early ones failed more than once before the layup and geometry held up to real use.
Instead of a rigid ankle and artificial foot, the Flex-Foot used a curved composite member extending down the leg and underneath it. When the wearer put weight on the prosthesis, the carbon-fiber structure flexed and stored energy. As the wearer moved forward and unloaded it, the spring returned some of that energy — much closer to what the biological machinery in your lower leg actually does.
Form Follows Function
Phillips founded Flex-Foot, Inc. in 1984, and the design evolved into a family of prosthetic feet. One particularly interesting development was that once you abandon the requirement that a prosthetic foot has to look like a foot, you have quite a bit of design freedom. That’s where the familiar running blade comes from.
The later Cheetah running foot, made by the Icelandic company Össur after it acquired Flex-Foot, takes the idea to its logical conclusion. There’s hardly any pretense that it is an artificial human foot. It is a long, curved carbon-fiber spring, generally shaped something like a J. Load it and it bends. Release the load, and it springs back. If you’ve watched the Paralympics, you’ve almost certainly seen them.
There is something particularly satisfying about the design from an engineering standpoint. Your first instinct is to mimic the original device — in this case, a human foot and leg. Phillips, instead, identified what the system actually needed to do. That’s a lesson that applies well outside prosthetics. Nature’s solution isn’t necessarily the only solution, and copying the appearance of a biological system doesn’t necessarily reproduce its behavior. Airplanes don’t flap their wings, either.
Too Good?
Of course, once prosthetic legs became good enough to let amputees run competitively, an odd question arose: could they become too good? That became a formal legal dispute in 2007–2008, when the IAAF (now World Athletics) moved to bar South African sprinter Oscar Pistorius, a double amputee running on Össur’s Cheetah Flex-Foot blades, from competing against able-bodied athletes.
The IAAF’s case leaned heavily on research from German sports scientist Gert-Peter Brüggemann, who argued the blades were mechanically efficient enough to constitute an unfair aid under the federation’s own rule against springs, wheels, or other advantage-granting devices. Pistorius’s side countered with independent testing led by MIT biomechanics researcher Hugh Herr, arguing there was no measurable edge. When the case reached the Court of Arbitration for Sport in 2008, the panel sided with Pistorius: it found the IAAF had not shown sufficient evidence of a metabolic advantage from using the Cheetah Flex-Foot, and overturned the ban.
That ruling didn’t settle the underlying biomechanics so much as expose how messy the question really is. Running blades are light and return a meaningful share of stored elastic energy, but they aren’t motors — they can’t give back energy that wasn’t put into them, and they lack the active muscle contribution a biological leg supplies, particularly out of the blocks and around a curve. Depending on which variable you isolate — limb mass, ground-contact time, force production, or acceleration mechanics — the prosthesis can look like an advantage or a disadvantage. It’s a genuinely open biomechanics problem dressed up as a sports-eligibility ruling.
The controversy eventually became as much a question about what constitutes a “normal” human body as it was an engineering problem. That’s a pretty remarkable problem for an invention to have. In a few decades, the question had gone from “can we make an amputee walk better?” to “is this prosthetic leg unfair to people who still have legs?”
Better Than A Fake Foot
Flex-Foot was acquired by Össur in 2000. Phillips received the Lemelson-MIT Prize in 1997 and was inducted into the National Inventors Hall of Fame in 2008 — the same year the CAS ruling put his design at the center of a sports-eligibility debate. Descendants of his original design are still in use today: energy-storing-and-returning feet are now an ordinary part of modern prosthetics, and specialized running blades have become almost synonymous with amputee athletics.
Even if you never design a prosthetic, the lesson is a valuable one. When solving a problem, it is natural to mimic something that already exists, either natural or an earlier design. But real innovation often comes when you stand back and consider what you actually need. Not every hole has to be made with a drill.
If you aren’t big on springs, you could 3D print a foot. We think it is cool to be able to create your own prosthetics.