2018 Fiscal Year Annual Research Report
Systematic Study on Human Response to Noncontact Distributed Haptic Stimulation and Its Applications
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16H06303
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
篠田 裕之 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (40226147)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
牧野 泰才 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (00518714)
原 辰次 中央大学, 研究開発機構, 機構教授 (80134972)
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| Project Period (FY) |
2016-05-31 – 2021-03-31
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| Keywords | マルチモーダルインタフェース / ハプティクス / 触覚 / 超音波 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成30年度は以下の３項目において研究を行った。
１．空中超音波基礎デバイスとアルゴリズムの開発 --- 新構造デバイス開発においては、静電駆動型での発音構造の最適化を行った。数値的検討と実験試作を行い、現行超音波素子と同程度の音圧生成を確認するとともに、フェーズドアレイによる動作確認を行った。また基礎アルゴリズムにおいては、反射物体の存在を前提とし、物体表面に所定の圧力分布を実現する素子駆動信号の計算方法を確立した。反射の扱いを明確化した上で問題を定式化し、最適化手法によって実用的な解を求める。さらに表面での圧力分布だけでなく、物体の微小変位に対する復元力までも設計する方法を示し、境界ホログラムとして確立した。
２．分布触覚が人間に与える作用の系統的理解 --- 皮膚表面の一点に刺激を与える際、その固定点での圧力を変化させる方法に対し、その刺激スポットの中心位置を皮膚に沿って振動させる方法（Lateral Modulation）の方が、刺激をより強く感じることを実験的に発見した。この発見に加え、人間の手の自然な誘導を可能にする Haptic Pursuit を発見した。人間の手掌部に超音波放射圧による触覚刺激を提示し、それを手掌部の面に沿って移動させると、強く意識を集中することなくそれを手で追従することができる。
３．３次元ユーザインタフェース --- 人間は、ほぼ無意識に３次元物体を持ち上げたり動かしたりすることができる。高品位３次元映像に同期しながら指先の超音波放射圧分布を制御することによって、この把持感覚を再現できるか検証する実験を行った。この他、動作誘導の手法として、定常的な超音波ベッセルビームを用い、目的地点まで手を誘導するシステムを提案・実証するとともに、空中浮遊型インタフェースとして、ヘリウムガスを封入した軽量物体を、超音波で３次元制御する手法を確立した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
大規模フェーズドアレイの実現性が、本研究課題の第一の不確定要因であったが、無事開発を完了し、同期動作による干渉の実現までを確認することができた。またセンサを搭載することによる自動キャリブレーションも実現し、フェーズドアレイのユニットをフレキシブルに組み合わせて動作させることにも成功した。また、ハードウエアと同時に、音場再現の基本アルゴリズムも確立することができた。
特に今年度は、上記ハードウエアを用い、高品位裸眼立体映像とのリアルタイムインタラクションに触覚を付与し、空中物体映像の把持・操作感を再現するシステムを世界に先駆けて実現することができた。また、薄型、高効率の超音波デバイスの検討を行い、研究開始時のイメージ通りのデバイス、すなわち量産性も期待でき、デバイス表面での音響エネルギ密度においても優れた発音構造を見出すことができた。
順調なハードウエア開発の進展と、３Dインタフェースのシステム実現に加え、Haptic Pursuit や Lateral Modulation、音響流の制御方法と、それを活用した冷覚提示なども実証されているが、これらは研究開始時には全く想定されていなかったものである。これらの発見によって実用的な動作誘導や有毛部への空中触覚刺激が可能となった。また機械学習による触感推定など新しい切り口も見え始めており、今後の発展が期待できる。
以上より、当初の目標を越える進展があったものと自己評価している。
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| Strategy for Future Research Activity |
残りの期間においては、当初の計画通り、基礎デバイスの開発を継続しつつ、開発されたデバイスを用いた触覚の解明と、それらの知見を組み込んだシステム開発、応用研究を進める。触覚の解明としては、人間が無意識に行っている能動的な把持を再現する研究を継続する。また、これと同時に視聴覚での方法論にならって系統的・数理的に受動触覚の知覚特性を解明する研究を進める。例えば聴覚であれば、各周波数成分の位相変動に対する感度や、各成分に必要とされる量子化精度、視覚情報であれば、空間変動成分ごとの知覚特性や、視覚情報を表現する最適基底の選択などの知見が蓄積されており、それらが視聴覚情報の圧縮と高効率伝送・蓄積を可能にしている。触覚においてはこのような系統的取り組みはほとんど行われてこなかったが、残りの研究期間でこのような基本的な特性を明らかにする。例えば皮膚上の一定距離離れた地点に振動刺激を与え、その強度を時間的に変化することで、連続移動が感じられることが知られているが（ファントムセンセーション、仮現運動）、仮現運動に際して触感がどのように変化するか、あるいはウエアラブルのデバイスで正味必要とされる触覚提示の空間解像度はどのように見積もれるか、など、触覚活用のために必須となる基本特性を明らかにする。
さらに今後は 快・不快や触覚を伴うコミュニケーションの効果などにも切り込んでいく予定であり、「触覚を解明するとともに、３次元インタフェースとコミュニケーションの新しい姿を提案する」という当初の目的に沿って研究を進めていきたい。さらには触覚による警告のシステムや、医療・健康応用にも活用の可能性を探っていきたい。
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[Journal Article] Midair Haptic Pursuit2019
Author(s)
Azuma Yoshimoto, Keisuke Hasegawa, Yasutoshi Makino,Hiroyuki Shinoda
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Journal Title
IEEE Transactions on Haptics
Volume: 印刷中
Pages: 印刷中
Peer Reviewed / Open Access
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