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2018 年度 実績報告書

非接触での分布触覚提示が生体に及ぼす効果の系統的解明と応用展開

研究課題

研究課題/領域番号 16H06303
研究機関東京大学

研究代表者

篠田 裕之  東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (40226147)

研究分担者 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)
研究期間 (年度) 2016-05-31 – 2021-03-31
キーワード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
研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

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。

今後の研究の推進方策

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。

  • 研究成果

    (41件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 雑誌論文 (14件) (うち査読あり 13件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (25件) (うち国際学会 9件、 招待講演 4件) 図書 (1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Midair Haptic Pursuit2019

    • 著者名/発表者名
      Azuma Yoshimoto, Keisuke Hasegawa, Yasutoshi Makino,Hiroyuki Shinoda
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Haptics

      巻: 印刷中 ページ: 印刷中

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Direct Finger Manipulation of 3D Object Image with Ultrasound Haptic Feedback2019

    • 著者名/発表者名
      Atsushi Matsubayashi, Yasutoshi Makino, Hiroyuki Shinoda
    • 雑誌名

      Proceedings of the Conference on Human Factors in Computing Systems (CHI)

      巻: 印刷中 ページ: 印刷中

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Acoustical boundary hologram for macroscopic rigid-body levitation2019

    • 著者名/発表者名
      Inoue Seki、Mogami Shinichi、Ichiyama Tomohiro、Noda Akihito、Makino Yasutoshi、Shinoda Hiroyuki
    • 雑誌名

      The Journal of the Acoustical Society of America

      巻: 145 ページ: 328~337

    • DOI

      10.1121/1.5087130

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Curved acceleration path of ultrasound-driven air flow2019

    • 著者名/発表者名
      Hasegawa Keisuke、Yuki Hiroki、Shinoda Hiroyuki
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 125 ページ: 054902-1~6

    • DOI

      10.1063/1.5052423

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Three-Dimensional Manipulation of a Spherical Object Using Ultrasound Plane Waves2019

    • 著者名/発表者名
      Furumoto Takuro、Hasegawa Keisuke、Makino Yasutoshi、Shinoda Hiroyuki
    • 雑誌名

      IEEE Robotics and Automation Letters

      巻: 4 ページ: 81~88

    • DOI

      10.1109/LRA.2018.2880330

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Midair Hand Guidance by an Ultrasound Virtual Handrail2019

    • 著者名/発表者名
      Shun Suzuki, Masahiro Fujiwara, Yasutoshi Makino, Hiroyuki Shinoda
    • 雑誌名

      Proc. IEEE World Haptics Conference 2019

      巻: 印刷中 ページ: 印刷中

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Midair Click of Dual Layer Haptic Button2019

    • 著者名/発表者名
      Mitsuru Ito, Yuji Kokumai, Hiroyuki Shinoda
    • 雑誌名

      Proc. IEEE World Haptics Conference 2019

      巻: 印刷中 ページ: 印刷中

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Displaying Haptic Shape by Generating Ultrasound Pressure Distribution Forming Cross-Sectional Shape2019

    • 著者名/発表者名
      Atsushi Matsubayashi, Hiroki Oikawa, Saya Mizutani, Yasutoshi Makino, Hiroyuki Shinoda
    • 雑誌名

      Proc. IEEE World Haptics Conference 2019

      巻: 印刷中 ページ: 印刷中

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Aerial Vibrotactile Display Based on Multiunit Ultrasound Phased Array2018

    • 著者名/発表者名
      Hasegawa Keisuke、Shinoda Hiroyuki
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Haptics

      巻: 11 ページ: 367~377

    • DOI

      10.1109/TOH.2018.2799220

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Lateral Modulation of Midair Ultrasound Focus for Intensified Vibrotactile Stimuli2018

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Ryoko、Hasegawa Keisuke、Shinoda Hiroyuki
    • 雑誌名

      Proc. Eurohaptics

      巻: Part 2 ページ: 276~288

    • DOI

      10.1007/978-3-319-93399-3_25

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Haptic Tracing of Midair Linear Trajectories Presented by Ultrasound Bessel Beams2018

    • 著者名/発表者名
      Suzuki Shun、Hasegawa Keisuke、Makino Yasutoshi、Shinoda Hiroyuki
    • 雑誌名

      Proc. Eurohaptics

      巻: Part 1 ページ: 209~220

    • DOI

      10.1007/978-3-319-93445-7_19

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Airborne Ultrasound Tactile Display2018

    • 著者名/発表者名
      Shinoda Hiroyuki
    • 雑誌名

      Journal of the Robotics Society of Japan

      巻: 36 ページ: 207~210

    • DOI

      10.7210/jrsj.36.207

  • [雑誌論文] Midair Haptic Display to Human Upper Body2018

    • 著者名/発表者名
      Suzuki Shun、Takahashi Ryoko、Nakajima Mitsuru、Hasegawa Keisuke、Makino Yasutoshi、Shinoda Hiroyuki
    • 雑誌名

      Proc. SICE Annual Conference 2018

      巻: - ページ: 848~853

    • DOI

      10.23919/SICE.2018.8492582

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electrostatically Driven Airborne Ultrasound Transmitter with Fine Mesh Electrode2018

    • 著者名/発表者名
      Kamigaki Takaaki、Ninomiya Yuki、Shinoda Hiroyuki
    • 雑誌名

      Proc. IEEE International Flexible Electronics Technology Conference (IFETC)

      巻: - ページ: 1~3

    • DOI

      10.1109/IFETC.2018.8583936

    • 査読あり
  • [学会発表] 音響ホログラムによる空中ハプティクス2019

    • 著者名/発表者名
      篠田裕之
    • 学会等名
      日本音響学会 2019年春季研究発表会
    • 招待講演
  • [学会発表] Estimation of Racket Grip Vibration from Tennis Video by Neural Network2018

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Yoshida, Yuuki Horiuchi, Tomohiro Ichiyama, Seki Inoue, Yasutoshi Makino, Hiroyuki Shinoda
    • 学会等名
      Asia Haptics 2018
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Whole body haptic experience using 2D communication wear2018

    • 著者名/発表者名
      Kohki Serizawa, Yuichi Masuda, Shun Suzuki, Masahiro Fujiwara, Akihito Noda, Yasutoshi Makino, Hiroyuki Shinoda
    • 学会等名
      Asia Haptics 2018
    • 国際学会
  • [学会発表] Circular Lateral Modulation in Airborne Ultrasound Tactile Display2018

    • 著者名/発表者名
      Ryoko Takahashi, Saya Mizutani, Keisuke Hasegawa, Masahiro Fujiwara, Hiroyuki Shinoda
    • 学会等名
      Asia Haptics 2018
    • 国際学会
  • [学会発表] Control System of a Robot Vehicle Using Hand-Gesture with Mid-Air Haptic Feedback2018

    • 著者名/発表者名
      Tao Morisaki, Masahiro Fujiwara, Yasutoshi Makino, Hiroyuki Shinoda
    • 学会等名
      Asia Haptics 2018
    • 国際学会
  • [学会発表] Encounter-type Haptic Feedback System Using an Acoustically Manipulated Floating Object2018

    • 著者名/発表者名
      Takuro Furumoto, Yutaro Toide, Masahiro Fujiwara, Yasutoshi Makino, Hiroyuki Shinoda
    • 学会等名
      Asia Haptics 2018
    • 国際学会
  • [学会発表] Midair Ultrasound Haptic Display with Large Workspace2018

    • 著者名/発表者名
      Shun Suzuki, Masahiro Fujiwara, Yasutoshi Makino, Hiroyuki Shinoda
    • 学会等名
      Asia Haptics 2018
    • 国際学会
  • [学会発表] Remotely Displaying Cooling Sensation Using Ultrasound Mist Beam2018

    • 著者名/発表者名
      Mitsuru Nakajima, Keisuke Hasegawa, Yasutoshi Makino, Hiroyuki Shinoda
    • 学会等名
      Asia Haptics 2018
    • 国際学会
  • [学会発表] Large Autostereoscopic Display Using Subpixel Parallax Barrier2018

    • 著者名/発表者名
      Mitsuru Ito, Yoshijiro Ushio, Yuji Kokumai, Yasutoshi Makino, Hiroyuki Shinoda
    • 学会等名
      The 25th International Display Workshop (IDW 2018)
    • 国際学会
  • [学会発表] Light Field Video Camera and Display Using Similar Microlens Array2018

    • 著者名/発表者名
      Mitsuru Ito, Masao Nakajima, Toru Iwane, Yuji Kokumai, Yasutoshi Makino, Hiroyuki Shinoda
    • 学会等名
      The 25th International Display Workshop (IDW 2018)
    • 国際学会
  • [学会発表] サブピクセルパララクスバリアを用いた大型裸眼立体ディスプレイ2018

    • 著者名/発表者名
      伊藤 充, 潮 嘉次郎, 國米 祐司, 牧野 泰才, 篠田 裕之
    • 学会等名
      第19回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会(SI2018)
  • [学会発表] 超音波触覚フィードバックを伴う3Dインタラクションシステム2018

    • 著者名/発表者名
      松林 篤, 牧野 泰才, 篠田 裕之
    • 学会等名
      第19回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会(SI2018)
  • [学会発表] 大域的位相変動最小化による空中超音波フェーズドアレイの可聴音抑制2018

    • 著者名/発表者名
      藤原 正浩, 牧野 泰才, 篠田 裕之
    • 学会等名
      第19回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会(SI2018)
  • [学会発表] 非触覚触覚刺激の時空間変調パターンと知覚強度および感触の関係2018

    • 著者名/発表者名
      水谷 沙耶, 神垣 貴晶, 鈴木 颯, 高橋 諒子, 松林 篤, 藤原 正浩, 牧野 泰才, 篠田 裕之
    • 学会等名
      第19回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会(SI2018)
  • [学会発表] 空中超音波LM触覚刺激における刺激点移動パターンと知覚強度の関係2018

    • 著者名/発表者名
      高橋 諒子,水谷 沙耶,藤原 正浩,長谷川 圭介,牧野 泰才,篠田 裕之
    • 学会等名
      第19回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会(SI2018)
  • [学会発表] 超音波ミストビームによる遠隔冷覚提示2018

    • 著者名/発表者名
      中島 允, 長谷川 圭介, 牧野 泰才, 篠田 裕之
    • 学会等名
      第19回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会(SI2018)
  • [学会発表] 全身触覚ウェアを用いた人に触られる体験の実現2018

    • 著者名/発表者名
      芹澤 洸希, 増田 祐一, 鈴木 颯, 野田 聡人, 藤原 正浩, 牧野 泰才, 篠田 裕之
    • 学会等名
      第23回バーチャルリアリティ学会大会
  • [学会発表] 非接触触覚刺激の時空間変調パターンによる知覚強度の比較2018

    • 著者名/発表者名
      水谷 沙耶, 神垣 貴晶, 鈴木 颯, 高橋 諒子, 松林 篤, 藤原 正浩, 牧野 泰才, 篠田 裕之
    • 学会等名
      第23回バーチャルリアリティ学会大会
  • [学会発表] 空中触覚フィードバックを用いた遠隔ロボットの移動制御2018

    • 著者名/発表者名
      森崎汰雄, 藤原正浩, 牧野 泰才, 篠田 裕之
    • 学会等名
      第23回バーチャルリアリティ学会大会
  • [学会発表] 空中触覚の作業空間の拡大2018

    • 著者名/発表者名
      鈴木 颯, 藤原正浩, 牧野 泰才, 篠田 裕之
    • 学会等名
      第23回バーチャルリアリティ学会大会
  • [学会発表] 3次元位置制御可能なバルーン型ディスプレイ2018

    • 著者名/発表者名
      古本 拓朗, 牧野 泰才, 篠田 裕之
    • 学会等名
      第23回バーチャルリアリティ学会大会
  • [学会発表] 外部刺激による身体表面温度変化に基づく注意の測定2018

    • 著者名/発表者名
      鈴江 優登, 牧野 泰才, 篠田 裕之
    • 学会等名
      第35回センシングフォーラム
  • [学会発表] 静電駆動による薄型空中超音波フェーズドアレイ2018

    • 著者名/発表者名
      神垣 貴晶, 篠田 裕之
    • 学会等名
      第35回センシングフォーラム
  • [学会発表] ウェアラブルハプティクスが拓く触覚インタフェースの近未来2018

    • 著者名/発表者名
      篠田裕之
    • 学会等名
      JIEP 最先端実装技術シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] 空中超音波による非接触触覚提示とその応用2018

    • 著者名/発表者名
      篠田裕之
    • 学会等名
      JEITA 次世代スケーラブル実装技術分科会
    • 招待講演
  • [図書] 空中ディスプレイの開発と応用展開(第10章 空中超音波触覚ディスプレイを分担執筆)2018

    • 著者名/発表者名
      篠田裕之
    • 総ページ数
      267 (13ページ分執筆)
    • 出版者
      シーエムシー出版
    • ISBN
      978-4-7813-1335-1
  • [備考] 空中超音波触覚ディスプレイによる 空中ハプティクス

    • URL

      http://www.hapis.k.u-tokyo.ac.jp/?page_id=447

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公開日: 2019-12-27  

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