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触覚技術（運動感覚コミュニケーションまたは3Dタッチとも呼ばれる）[1] [2]は、力、振動、または動きをユーザに適用することで触覚の体験を作り出すことができる技術である。 [3]これらの技術は、コンピュータシミュレーションで仮想オブジェクトを作成したり、仮想オブジェクトを制御したり、機械やデバイスのリモートコントロール（遠隔ロボット）を強化したりするために使用できる。触覚デバイスには、ユーザがインターフェースに加えた力を測定する触覚センサーが組み込まれている場合がある。触覚（ haptic ）という言葉は、古代ギリシャ語のἁπτικός（haptikos ）に由来し、「触覚、触覚に関する」を意味する。単純な触覚デバイスは、ゲームコントローラ、ジョイスティック、ステアリングホイールの形で一般的である。
触覚技術は、制御された触覚仮想オブジェクトの作成を可能にすることで、人間の触覚がどのように機能するかの調査を容易にします。ほとんどの研究者は、人間の触覚に関連する3つの感覚システムを、皮膚感覚、運動感覚、触覚と区別しています。[4] [5] [6]皮膚感覚と運動感覚によって媒介されるすべての知覚は、触覚知覚と呼ばれます。触覚は受動的と能動的に分類され、[7]「触覚」という用語は、物体を伝えたり認識したりするための能動的な触覚と関連付けられることがよくあります。[8]
歴史
触覚技術の最も初期の応用例の 1 つは、操縦翼面を操作するためにサーボ機構システムを使用する大型航空機でした。 [9]サーボ システムのない軽量航空機では、航空機が失速に近づくと、パイロットの操縦装置に空気力学的バフェッティング (振動) が感じられました。これは、危険な飛行状態を警告する便利な手段でした。サーボ システムは「一方向」である傾向があり、つまり、操縦翼面に空気力学的に加えられた外力が操縦装置で感知されず、この重要な感覚的手がかりが欠如しています。これに対処するために、欠落している法線力をバネと重りでシミュレートします。迎え角が測定され、臨界失速点に近づくと、より単純な操縦装置の応答をシミュレートするスティックシェイカーが作動します。あるいは、サーボ力を測定し、その信号を操縦装置のサーボ システムに送ることもできます。これはフォース フィードバックとも呼ばれます。フォース フィードバックは、一部の掘削機で実験的に実装されており、シルトや粘土に埋もれた大きな岩石などの混合材料を掘削するときに役立ちます。これにより、オペレーターは目に見えない障害物を「感じて」回避することができます。[10]
1960年代、ポール・バッハ・イ・リタは、上下に動かすことのできる20×20の金属棒の配列を使い、画面のピクセルに似た触覚的な「点」を生み出す視覚代替システムを開発した。この装置を備えた椅子に座る人は、背中に突き刺さった点のパターンから絵を識別することができた。[11]
触覚電話に関する最初の米国特許は、1973年にトーマス・D・シャノンに付与されました。[12]初期の触覚マンマシンコミュニケーションシステムは、 1970年代初頭にベル電話研究所のA・マイケル・ノルによって構築され、 [13] 1975年に彼の発明に対して特許が発行されました。[14]
1994年、オーラ・インタラクターベストが開発されました。[15]このベストは、オーディオ信号をモニターし、電磁アクチュエータ技術を使用して低音波を振動に変換し、パンチやキックなどの動作を表現するウェアラブルフォースフィードバックデバイスです。このベストをステレオ、テレビ、またはVCRのオーディオ出力に差し込むと、オーディオ信号がベストに埋め込まれたスピーカーから再生されます。
1995年、トーマス・マッシーはPHANToM（Personal HAptic iNTerface Mechanism）システムを開発した。これは、コンピュータ化されたアームの先端に指ぬきのような容器を備え、そこに人の指を挿入することで、コンピュータ画面上の物体を「感じる」ことができるものであった。[16]
1995年、ノルウェーのゲイル・ジェンセンは、皮膚タップ機構を備えた腕時計型触覚デバイス「タップイン」を発表しました。この腕時計はBluetooth経由で携帯電話に接続し、タップ周波数パターンによって着用者は選択した短いメッセージで発信者に応答することができます。[17]
2015年にApple Watchが発売されました。皮膚タップセンサーを使用して、時計を装着しているユーザーの携帯電話から通知やアラートを送信します。
機械式タッチセンサーの種類
人間の皮膚への機械的負荷の感知は、機械受容器によって制御されています。機械受容器には多くの種類がありますが、指の腹にある機械受容器は通常、2 つのカテゴリに分類されます。高速作用型 (FA) と低速作用型 (SA) です。SA 機械受容器は比較的大きなストレスと低周波に敏感ですが、FA 機械受容器はより小さなストレスと高周波に敏感です。この結果、一般に SA センサーは 200 マイクロメートルを超える振幅のテクスチャを検出でき、FA センサーは 200 マイクロメートル未満から約 1 マイクロメートルまでの振幅のテクスチャを検出できますが、一部の研究では、FA は指紋の波長よりも小さいテクスチャしか検出できないことが示唆されています。[18] FA 機械受容器は、摩擦によって生じる振動と、微細な表面テクスチャ上を移動する指紋テクスチャの相互作用を感知することで、この高解像度の感知を実現します。[19]
実装
触覚フィードバック (多くの場合、単にハプティクスと略される) は、ゲーム内のアクションを表す感覚を提供するために、設定された周波数と間隔で制御された振動です。これには、手や指の「バンプ」、 「ノック」、 「タップ」が含まれます。
触覚フィードバックを提供する電子機器の大半は振動を利用しており、そのほとんどはモーターシャフトに取り付けられた不均衡な重りからなる偏心回転質量（ERM）アクチュエータの一種を使用しています。シャフトが回転すると、この不規則な質量が回転し、アクチュエータと取り付けられたデバイスが振動します。圧電アクチュエータも振動を生成するために使用され、LRAよりもさらに正確な動きを提供し、ノイズが少なく、プラットフォームが小さくなりますが、ERMやLRAよりも高い電圧が必要です。[20]
コントローラーの振動
ビデオゲームにおける最も一般的な触覚フィードバックの形態の1つは、コントローラの振動である。1976年、セガのバイクゲーム「モトクロス」 [ 21]（別名「フォンズ」 [22]）は、他の車両との衝突時にハンドルが振動する触覚フィードバックを採用した最初のゲームであった。[23]
フォースフィードバック
フォースフィードバック装置は、モーターを使用して、ユーザーが持っているアイテムの動きを操作します。[24]一般的な用途は、自動車運転のビデオゲームやシミュレーターで、ハンドルを回して実際の車両のコーナリング時に発生する力をシミュレートします。 2013年に導入されたダイレクトドライブホイールは、サーボモーターをベースとしており、強度と忠実度の点で、最もハイエンドなタイプのフォースフィードバックレーシングホイールです。
2007年、ノヴィントは高解像度の3次元フォースフィードバックを備えた初の消費者向け3Dタッチデバイスであるファルコンをリリースした。これにより、ゲーム内の物体、テクスチャ、反動、運動量、物体の物理的存在の触覚シミュレーションが可能になった。 [25] [26]
空気渦輪
空気渦輪は、集中した突風でできたドーナツ型の空気ポケットです。集中した空気渦は、数ヤード離れたところからろうそくを吹き消したり、書類を揺らしたりするほどの力を発揮します。Microsoft Research (AirWave) [27]と Disney Research (AIREAL) [28]はどちらも、空気渦を利用して非接触型触覚フィードバックを提供しています。[29]
超音波
焦点を絞った超音波ビームは、物体に触れることなく指に局所的な圧力感覚を作り出すために使用できます。圧力感覚を生み出す焦点は、超音波トランスデューサーアレイ内の各トランスデューサーの位相と強度を個別に制御することによって生成されます。これらのビームは、振動感覚を伝えるためにも使用でき、[30]ユーザーに仮想の 3D オブジェクトを感じる能力を与えることもできます。[31]最初の市販の超音波デバイスは、256 トランスデューサーアレイボードと手の追跡用の Leap モーションコントローラーで構成された Ultrahaptics の Stratos Explore でした[32]
触覚フィードバックのもうひとつの形態は、人間が表面の質感に関する情報を得るためにスキャン（表面を指でなぞる）するときの能動的なタッチから生じます。摩擦と質感から生じる振動が人間の皮膚の機械受容器を活性化するため、この動作を通じてマイクロメートルスケールの表面の質感に関する大量の情報を収集できます。この目的のために、プレートを超音波周波数で振動させ、プレートと皮膚の間の摩擦を減らすことができます。[33] [34]
電気刺激
電気筋肉刺激（EMS）と経皮的電気神経刺激（TENS）は、皮膚や筋肉に触覚感覚を作り出すために使用できます。最も注目すべき例としては、触覚スーツのテスラスーツ、[35]、 Owo触覚ベスト[36]、ウェアラブルアームバンドのヴァルキリーEIRなどがあります。[37]これらの技術は、例えば弾丸の命中をシミュレートすることによって没入感を向上させることに加えて、重さや抵抗に似た感覚を作り出し、筋肉トレーニングを促進することが求められています。[38]
アプリケーション
コントロール
テレプレゼンス
触覚フィードバックは、テレプレゼンスを介して複雑なタスクを実行するために不可欠です。高度なロボットハンドであるShadow Handには、すべての関節と指のパッドに埋め込まれた合計129個のタッチセンサーがあり、オペレーターに情報を伝えます。これにより、タイピングなどのタスクを離れた場所から実行できます。 [39]初期のプロトタイプは、 NASAのヒューマノイドロボット、またはロボノートのコレクションで見ることができます。[40]
遠隔操作
テレオペレーターは遠隔操作されるロボットツールです。オペレーターに力のフィードバックが与えられる場合、これは触覚遠隔操作と呼ばれます。最初の電動テレオペレーターは、1950年代にアルゴンヌ国立研究所でレイモンド・ゲルツによって放射性物質を遠隔操作するために作られました。 [41]それ以来、力のフィードバックの使用は、遠隔操作される水中探査装置など、他の種類のテレオペレーターでも広く普及しました。
医療シミュレータやフライトシミュレータなどのデバイスは、現実世界で感じられる力のフィードバックを理想的に提供します。シミュレートされた力は触覚オペレータコントロールを使用して生成され、触覚感覚を表すデータを保存または再生することができます。[42]
医学と歯科
医療シミュレーション用の触覚インターフェースは、腹腔鏡検査や介入放射線学などの低侵襲手術の訓練用として開発されており、[43] [44]歯科学生の訓練用としても開発されている。[45]バーチャル触覚バック（VHB）は、オハイオ大学 オステオパシー医学部のカリキュラムにうまく組み込まれた。[46]触覚技術によって遠隔手術の開発が可能になり、熟練した外科医が遠くから患者を手術できるようになった。[47]外科医が切開を行うと、患者に直接作用しているかのように触覚と抵抗のフィードバックを感じる。[48]
自動車
車のダッシュボードに大型のタッチスクリーンコントロールパネルが導入され、触覚フィードバック技術が使用され、ドライバーが道路から目を離すことなくタッチコマンドの確認が可能になりました。[49]ステアリングホイールやシートなどの追加の接触面も、他の車両に近づいたときに警告の振動パターンなど、ドライバーに触覚情報を提供することができます。[50]
航空
フォースフィードバックは、安全な飛行範囲への順守を高めるために使用することができ、パイロットの最終的な権限を維持し、状況認識を高めながら、パイロットが運用境界外で危険な飛行状態に入るリスクを減らすことができます。[51]
電子機器
ビデオゲーム
触覚フィードバックはアーケードゲーム、特にレーシングビデオゲームでよく使用されます。1976年、セガのバイクゲーム「モトクロス」[21]（別名「フォンズ」 [ 22]）は触覚フィードバックを使用した最初のゲームであり、他の車両との衝突時にハンドルが振動しました。[23]タツミのTX-1は1983年に自動車運転ゲームにフォースフィードバックを導入しました。[52]ゲーム「アースシェイカー！」は1989年に ピンボールマシンに触覚フィードバックを追加しました。
単純な触覚デバイスは、ゲームコントローラ、ジョイスティック、ステアリングホイールの形で一般的です。初期の実装は、1997年のNintendo 64コントローラのRumble Pakなどのオプションコンポーネントを通じて提供されていました。同じ年に、フィードバックを組み込んだMicrosoft SideWinder Force Feedback ProがImmersion Corporationによってリリースされました。[53]多くのコンソールコントローラとジョイスティックには、ソニーのDualShockテクノロジーやMicrosoftのImpulse Triggerテクノロジーなど、回転して振動を引き起こす不均衡な重量のモーターであるフィードバックデバイスが組み込まれています。たとえば、一部の自動車のステアリングホイールコントローラは、道路の「感触」を提供するようにプログラムされています。ユーザーが曲がったり加速したりすると、ステアリングホイールは回転に抵抗したり、制御不能になったりして反応します。
注目すべき紹介は次のとおりです。
- 2013年:シミュレーション レーシング用の最初のダイレクト ドライブ ホイールが導入されました。
- 2014年: LGエレクトロニクスがマルチメディア入力に反応する新しいタイプの触覚クッションを開発。[54]
- 2015年：Valve社のSteam Machines（コンソール型PC）には、ユニットのトラックパッドを介して幅広い触覚フィードバックを提供できる重み付き電磁石を使用した新しいSteamコントローラーが含まれています。[55]これらのコントローラーのフィードバックシステムはユーザーが設定可能で、コントローラーの両側にある触覚力アクチュエーターで正確なフィードバックを提供します。[56]
- 2017年：Nintendo SwitchのJoy-Conに、アルプス電気のアクチュエーターを使用し、イマージョンコーポレーションと共同開発したHD振動機能が導入されました。[57] [58] [59]
- 2018年：ロフェルト社が開発した、広周波数ハプティックドライバーを搭載したゲーミングヘッドフォン、Razer Nari Ultimate。 [60] [61]
- 2020年：ソニーのPlayStation 5 DualSenseコントローラーは、手のひらグリップに統合されたボイスコイル アクチュエーターによって提供される振動触覚と、2つのDCロータリーモーターによって提供されるアダプティブトリガーのフォースフィードバックをサポートしています。 [62]ハンドグリップのアクチュエーターは、ゲーム内のアクションに関する多様で直感的なフィードバックを提供できます。たとえば、砂嵐の中では、プレイヤーは風と砂を感じることができ、アダプティブトリガーのモーターは、弓から矢を仮想的に引くなどの体験をサポートします。[63]
- 2021年、SuperTuxKart 1.3がリリースされ、フォースフィードバックのサポートが追加されました。[64]フォースフィードバックは、フリーソフトウェアゲームでは非常に珍しいものです。
モバイルデバイス
触覚フィードバックは携帯電話では一般的です。ほとんどの場合、これはタッチに対する振動応答の形をとります。アルパインエレクトロニクスは、タッチスクリーンカーナビゲーションとステレオユニットの多くにPulseTouchという触覚フィードバック技術を使用しています。 [65] Nexus Oneは、仕様によると触覚フィードバックを備えています。[66] サムスンは2007年に初めて触覚フィードバックを備えた携帯電話を発売しました。 [67]
表面触覚とは、タッチスクリーンなどの表面とユーザーの指が相互作用するときに、指に生じるさまざまな力を指します。
注目すべき紹介は次のとおりです。
- Tanvas [68]は、静電技術[69]を使用して、指先が受ける平面内の力を、指の動きのプログラム可能な機能として制御します。TPaDタブレットプロジェクトは、超音波技術を使用してガラスタッチスクリーンの滑りやすさを調整します。[70]
- 2013 年、Apple 社はマルチタッチ サーフェスに適した触覚フィードバック システムの特許を取得しました。Apple 社の米国特許「触覚フィードバックの位置特定方法および装置」は、マルチタッチ入力デバイスの下に少なくとも 2 つのアクチュエータを配置し、ユーザーがユニットに触れたときに振動フィードバックを提供するシステムについて説明しています。[71]具体的には、この特許では、1 つのアクチュエータがフィードバック振動を誘発し、少なくとももう 1 つのアクチュエータがその振動を使用して、最初の一連の振動がデバイスの他の領域に伝わるのを防ぐことで触覚体験を位置特定します。この特許では「仮想キーボード」の例が示されていますが、本発明はあらゆるマルチタッチ インターフェイスに適用できることも指摘されています。[72]「Taptic Engine」を搭載したAppleのiPhone （およびMacBook）は、リニア共振アクチュエータ（LRA）を使用して振動を実現しています。リニア共振アクチュエータは、磁気ボイスコイルを使用して質量を往復運動させます。これは、AC電気信号がスピーカーのコーン内で動きに変換される方法に似ています。LRAはERMよりも応答時間が速く、より正確な触覚イメージを伝えることができます。[73]
バーチャルリアリティ
触覚は仮想現実システムの重要な部分として広く受け入れられつつあり、これまでは視覚のみだったインターフェースに触覚を加えている。 [74] 3Dモデリングやデザインに触覚インターフェースを使用するシステムが開発されており、ホログラムを視覚と触覚の両方で表現できるシステムも含まれている。[75] [76] [77]いくつかの企業は、没入型仮想現実で爆発や銃弾の衝撃をユーザーが感じることができるように、全身または胴体用の触覚ベストや触覚スーツを製造している。 [78]
パソコン
2015年、Apple社のMacBookとMacBook Proは、ボタン機能と触覚フィードバックをトラッキング面に組み込んだ「触覚タッチパッド」デザインを採用し始めました。触覚タッチパッドは、タッチパッドが動かなくなったにもかかわらず、クリック時に「弾む」感覚を与えます。[79]
感覚代替
音声の置換
2015年12月、デイビッド・イーグルマンは、音声やその他の音声信号を一連の振動に「変換」するウェアラブルベストを披露した。[80]これにより、聴覚障害者は身体で音を「感じる」ことができるようになり、その後、リストバンドとして商業的に製造された。[81]
触覚電子ディスプレイ
触覚電子ディスプレイは、触覚を使ってテキストやグラフィック情報を提供する表示装置である。この種の装置は、視覚や聴覚の代替手段を提供することで、視覚障害者や聴覚障害者を支援するために開発されてきた。 [82] [83]
テレディルドニクス
触覚フィードバックは、テレディルドニクス、つまり「セックステクノロジー」で使用され、セックス玩具を遠隔接続してユーザーが仮想セックスをしたり、リモートサーバーがセックス玩具を制御できるようにします。この用語は、1975 年にテッド ネルソンが愛、親密さ、テクノロジーの未来について議論したときに初めて作りました。[要出典]近年、テレディルドニクスとセックステクノロジーは、振動、圧力、感覚の通信を通じて仮想セックスを可能にする双方向接続を備えた玩具を含むように拡張されました。多くの「スマート」バイブレーターは、玩具を制御するために、ユーザーまたはリモートパートナー間の一方向接続を可能にします。
神経リハビリテーションとバランス
上肢運動機能障害のある人の場合、触覚フィードバックを利用したロボットデバイスを神経リハビリテーションに使用することができます。エンドエフェクタや接地型および非接地型の外骨格などのロボットデバイスは、いくつかの筋肉群の制御を回復するのを助けるように設計されています。これらのロボットデバイスによって適用される触覚フィードバックは、より没入感のある性質のため、感覚機能の回復に役立ちます。[84]
触覚技術は感覚フィードバックを提供することで、加齢に伴うバランス制御の障害を改善し[85]、高齢者やバランス障害者の転倒を防ぐこともできます。 [86]触覚牛と馬は獣医の訓練に使用されています。[87]
パズル
触覚パズルは、複雑な3D環境における目標指向の触覚探索、検索、学習、記憶を調査するために考案されました。[88] [89]その目標は、触覚を備えた多指ロボットを可能にし、人間のメタ学習に関するより多くの洞察を得ることです。
美術
触覚技術は、サウンド合成やグラフィックデザインなどの仮想アートで研究されており、ゆるやかな視覚やアニメーションを生み出しています。[90]触覚技術は、2015年のTate Sensorium展で既存のアート作品を強化するために使用されました。 [91]音楽制作の分野では、スウェーデンのシンセサイザーメーカーであるTeenage Engineeringが、 OP-Zシンセサイザー用の触覚サブウーファーモジュールを発表し、ミュージシャンが楽器で直接低音域を感じることができるようになりました。[92]
空間
ニュース報道によると、触覚技術の使用は火星訪問を含む宇宙探査に役立つ可能性がある。[93]
参照
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さらに読む
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- Monkman . GJ「電気粘性触覚ディスプレイ」。Presence ( Journal of Teleoperators and Virtual Environments ) 第 1 巻、第 2 号、pp. 219–228、MIT Press、1992 年 7 月。
- パリシ、デイビッド。『触覚の考古学 - 電気からコンピューターまで触覚とのインターフェース』ミネソタ大学出版局。ISBN 978-1-5179-0059-5。
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- Vashisth, A.; Mudur, S. (2008). 「電子グローブを使用したポイントベース モデルの変形」。2008 C3S2E カンファレンスの議事録 - C3S2E '08。p. 193。doi :10.1145 / 1370256.1370288。ISBN 978-1-60558-101-9. S2CID 15769903。
外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、触覚技術に関連するメディアがあります。
- HowStuffWorksの触覚技術
- 触覚フィードバックに最適な振動周波数は？ 2021-09-26 にWayback Machineでアーカイブ