仮想現実ヘッドセットで使用する触覚手袋
1992年NASAの触覚インターフェース手袋のデザイン

触覚技術（運動感覚コミュニケーションや3Dタッチとも呼ばれる）[1] [2]は、ユーザーに力、振動、動きを加えることで触覚の体験を生み出す技術です。 [3]これらの技術は、コンピューターシミュレーションで仮想オブジェクトやイベントを感じたり、仮想オブジェクトを制御したり、機械やデバイスの遠隔制御（テレロボティクス）を強化したりするために使用できます。触覚デバイスには、ユーザーがインターフェースに加える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ります。 「触覚」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」という意味です。シンプルな触覚デバイスは、ゲームコントローラー、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。

触覚技術は、制御された触覚仮想物体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を研究することを容易にします。振動やその他の触覚的な手がかりは、モバイルユーザーエクスペリエンスとインターフェースデザインにおいて不可欠な要素となっています。[4]多くの研究者は、人間の触覚に関連する感覚系を、皮膚感覚系、運動感覚系、触覚系の3つに分類しています。[5] [6] [7]皮膚感覚と運動感覚系を介したすべての知覚は、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、[8]「触覚」という用語は、物体を伝達または認識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。[9]

歴史

触覚技術の最も初期の応用例の一つは、操縦翼面の操作にサーボ機構システムを用いる大型航空機でした。 [10]サーボシステムを持たない軽量航空機では、航空機が失速状態に近づくと、操縦桿に空力的なバフェッティング（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有用な手段でした。サーボシステムは「一方向」である傾向があり、操縦翼面に空力的に作用する外力が操縦装置で感知されないため、この重要な感覚的手がかりが欠如していました。この問題に対処するため、欠落している法線方向の力をバネと重りでシミュレートします。迎え角を測定し、失速限界点に近づくと、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方法もあります。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に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際に役立ちます。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。[11]

1960年代、ポール・バッハ＝イ＝リタは、 20×20の金属棒を上下に動かすことで画面のピクセルに似た触覚的な「点」を生成できる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った人は、背中に突き刺された点のパターンから絵を識別することができた。[12]

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。[13]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、 [14] 1975年に彼の発明に対して特許が発行されました。[15]

オーラ・インタラクターベストの写真
オーラインタラクターベスト

1994年には、オーラ・インタラクター・ベストが開発されました。[16]このベストは、オーディオ信号をモニタリングし、電磁アクチュエータ技術を用いて低音の音波を振動に変換することで、パンチやキックなどの動作を再現するウェアラブル・フォースフィードバック装置です。このベストをステレオ、テレビ、またはビデオデッキのオーディオ出力に接続すると、内蔵スピーカーからオーディオ信号が再生されます。

1995年、トーマス・マッシーはPHANToM（Personal HAptic iNTerface Mechanism）システムを開発しました。このシステムは、コンピュータ制御されたアームの先端に指ぬきのようなレセプタクルを備え、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「触覚」で感じることができるというものでした。[17]

1995年、ノルウェーのゲイル・イェンセンは、皮膚タップ機構を備えた腕時計型触覚デバイス「Tap-in」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基づいて、装着者は選択したショートメッセージで発信者に応答することができます。[18]

2015年にApple Watchが発売されました。皮膚タップセンサーを搭載し、装着者のスマートフォン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

人間の皮膚における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、指腹に存在するものは、通常、速効型（FA）と遅効型（SA）の2つのカテゴリに分類されます。SA機械受容器は比較的大きな応力と低周波に敏感ですが、FA機械受容器はより小さな応力と高周波に敏感です。この結果、一般的に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。[19] 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。[20]

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部分は振動を利用しており、その多くは偏心回転質量（ERM）アクチュエータの一種を使用しています。ERMは、モーターシャフトに取り付けられた不均衡な重りで構成されています。シャフトが回転すると、この不均一な質量の回転によってアクチュエータと接続さ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作が可能で、ノイズが少なく、プラットフォームも小型ですが、ERMやLRAよりも高い電圧が必要です。[21]

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一つは、コントローラの振動です。1976年、セガのバイクゲーム『モトクロス』 [ 22]（通称『フォンズ』 [ 23]）は、他の車両との衝突時にハンドルバーを振動させる触覚フィードバックを採用した最初のゲームでした。[24]

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、モーターを用いてユーザーが持つ物体の動きを操作します。[25]一般的な用途としては、自動車運転のビデオゲームやシミュレーターで、ステアリングホイールを回すことで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、強度と忠実度において最もハイエンドな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消費者向け3Dタッチデバイス「 Falcon」を発売しました。これにより、ゲーム内のオブジェクト、テクスチャ、反動、運動量、そして物理的な存在感を触覚的にシミュレートすることが可能になりました。[26] [27]

空気渦輪

空気渦輪は、集中した突風によって形成されたドーナツ状の気泡です。集中した空気渦は、数メートル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持つことがあります。Microsoft Research (AirWave) [28]と Disney Research (AIREAL) [29]は、空気渦を用いて非接触型の触覚フィードバックを提供しています。[30]

超音波

集束超音波ビームは、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ます[31]。また、ユーザーに仮想3Dオブジェクトを触覚的に感じさせることもできます[32]。最初の市販超音波デバイスは、Ultrahaptics社のStratos Exploreで、256個のトランスデューサーアレイボードと手のトラッキング用のLeapモーションコントローラーで構成されていました[33] 。

触覚フィードバックのもう一つの形態は、人間が表面の質感に関する情報を得るために指で表面をスキャン（なぞる）する能動的な触覚から得られます。摩擦や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、この動作を通してマイクロメートル単位の表面質感に関する膨大な情報を得ることができます。この目的のために、プレートを超音波周波数で振動させることで、プレートと皮膚の間の摩擦を低減することができます。[34] [35]

電気刺激

電気筋刺激（EMS）と経皮的電気神経刺激（TENS）は、皮膚や筋肉に触覚感覚を与えるために用いられます。注目すべき例としては、テスラスーツ[36]やOwo触覚ベスト[37]などの触覚スーツ、そしてValkyrie EIRのウェアラブルアームバンド[38]などが挙げられます。これらの技術は、例えば弾丸の着弾をシミュレートすることで没入感を向上させるだけでなく、重量感や抵抗感に似た感覚を作り出し、筋力トレーニングを促進することが期待されています。[39]

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は、すべての関節と指の腹に合計129個のタッチセンサーが埋​​め込まれており、操作者に情報を伝えます。これにより、タイピングなどのタスクを遠隔から実行できます。[40]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。[41]

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。オペレーターが操作にかかった力に関するフィードバックを得る場合、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の遠隔操作のために開発されました。[42]それ以来、力覚フィードバックは、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にも広く利用されるようになりました。

医療シミュレータやフライトシミュレータなどの装置は、現実世界で感じられるような力覚フィードバックを提供するのに理想的です。シミュレーションされた力は触覚操作装置を用いて生成され、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。[43]

医学と歯学

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います。[44] [45]また、歯学生の訓練用としても開発されています。[46]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統合されました。[47]触覚技術により、遠隔手術の開発が可能になり、熟練した外科医が患者を遠くから手術できるようになりました。[48]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ます。[49]

自動車

車両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たことで、触覚フィードバック技術が使用され、運転者は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。[50]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を発するなど、運転者に触覚情報を提供することができます。[51]

航空

フォースフィードバックは、安全な飛行範囲への遵守を高め、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ために使用することができます。[52]

電子機器

ビデオゲーム

このDreamcast Jump Pack のようなコントローラー用の Rumble パックは、ユーザーの手を通じて触覚フィードバックを提供します。

触覚フィードバックはアーケードゲーム、特にレーシングゲームでよく使われています。1976年、セガのバイクゲーム『モトクロス』[22]（別名『フォンズ』[23]）が触覚フィードバックを採用した最初のゲームとなり、他の車両との衝突時にハンドルが振動するようになりました。[24]タツミの『TX-1』は1983年にカードライビングゲームにフォースフィードバックを導入しました。 [53]アースシェイカー！というゲームが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。

シンプルな触覚デバイスは、ゲームコントローラー、ジョイスティック、ステアリングホイールといった形で一般的です。初期の実装は、1997年のNintendo 64コントローラーのRumble Pakなど、オプションのコンポーネントを通じて提供されていました。同年、フィードバック機能を内蔵したMicrosoft SideWinder Force Feedback ProがImmersion Corporationから発売されました。[54]多くのコンソールコントローラーやジョイスティックには、フィードバックデバイスが内蔵されています。これは、不均衡な重量を持つモーターが回転して振動するデバイスで、ソニーのDualShockテクノロジーやMicrosoftのImpulse Triggerテクノロジーなどがその例です。例えば、一部の自動車用ステアリングホイールコントローラーは、路面の「感触」を提供するようにプログラムされています。ユーザーが旋回したり加速したりすると、ステアリングホイールは旋回に抵抗したり、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。[55]
  • 2015年：Valve社のSteam Machine（コンソール型PC）には、重量のある電磁石を使用した新しいSteamコントローラが搭載され、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ます。[56]これらのコントローラのフィードバックシステムはユーザーが設定可能で、コントローラの両側にある触覚力アクチュエータによって正確なフィードバックを提供します。[57]
  • 2017年：Nintendo SwitchのJoy-Conに、イマージョンコーポレーションと共同開発し、アルプス電気のアクチュエータを使用したHD振動機能が導入されました。[58] [59] [60]
  • 2018年：ロフェルト社が開発した、広帯域触覚ドライバーを搭載したゲーミングヘッドフォン、Razer Nari Ultimate。 [61] [62]
  • 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 アクチュエータによる振動触覚と、2つのDCロータリーモーターによ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。 [63]ハンドグリップのアクチュエータは、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。[64]
  • 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。[65]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です。[要出典]

モバイルデバイス

LG Optimus L7 IIの振動モーター

触覚フィードバックは携帯電話端末で一般的です。多くの場合、これはタッチに対する振動反応の形をとります。アルパイン電子は、タッチスクリーン式のカーナビゲーションやステレオの多くにPulseTouchと呼ばれる触覚フィードバック技術を採用しています。 [66] Nexus Oneは、同社の仕様によると触覚フィードバック機能を備えています。[67] サムスンは2007年に初めて触覚フィードバック機能を搭載した携帯電話を発売しました。 [68]

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、指にさまざまな力が生じることを指します。

注目すべき紹介は次のとおりです。

  • Tanvas [69]は、静電技術[70]を用いて、指先が受ける平面方向の力を、指の動きに応じてプログラム可能な関数として制御しています。TPaDタブレットプロジェクトは、超音波技術を用いてガラス製タッチスクリーンの滑りやすさを調整しています。[71]
  • 2013年、Apple社はマルチタッチ面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定位のための方法および装置」は、マルチタッチ入力デバイスの下部に少なくとも2つのアクチュエータを配置し、ユーザーがデバイス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。[72]具体的には、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利用して触覚体験を定位させ、最初の振動セットがデバイスの他の領域に伝播するのを防ぎます。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ースに適用できることも指摘されています。[73] AppleのiPhone（およびMacBook）に搭載されている「Taptic Engine」は、リニア共振アクチュエータ（LRA）によって振動を実現しています。LRAは磁気ボイスコイルを介して質量を往復運動させ、交流電気信号がスピーカーのコーン内で運動に変換されるのと似ています。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。[74]

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ます。[75] 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ます。[76] [77] [78]いくつかの企業は、没入型仮想現実でユーザーが爆発や銃弾の衝撃を体感できるように、全身または胴体を覆う触覚ベストや触覚スーツを製造しています。 [79]

パーソナルコンピュータ

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「タクタイルタッチパッド」デザインを採用しました。このタクタイルタッチパッドは、タッチパッド自体が動かないにもかかわらず、クリック時に「弾む」ような感覚を与えます。[80]

感覚代行

音の置換

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実演しました。[81]これにより、聴覚障害者は体で音を「感じる」ことができ、その後、リストバンドとして市販されました。[82]

触覚電子ディスプレイ

触覚電子ディスプレイは、触覚を用いてテキストやグラフィック情報を提供する表示装置です。この種の装置は、視覚や聴覚に代わる感覚を提供することで、視覚障害者や聴覚障害者を支援するために開発されました。 [83] [84]

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（「セックステクノロジー」）において、セックストイを遠隔接続し、ユーザーがバーチャルセックスを楽しんだり、遠隔サーバーからセックストイを操作したりするために利用されています。この用語は、1975年にテッド・ネルソンが愛、親密さ、そしてテクノロジーの未来について議論した際に初めて使用されました。[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、感覚の伝達を通じてバーチャル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発展しています。多くの「スマート」バイブレーターは、ユーザーまたは遠隔地のパートナーとの間で片方向の接続を可能にし、玩具を操作できるようにします。

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患者には、触覚フィードバックを利用したロボットデバイスが神経リハビリテーションに活用できる可能性があります。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、複数の筋群の制御回復を支援するため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提供される触覚フィードバックは、より没入感のある性質を持つため、感覚機能の回復に役立ちます。[85]

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[86]、高齢者やバランス障害者の転倒を防ぐこともできます。[87]触覚牛と馬は獣医の訓練に使用されています。[88]

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。[89] [90]その目的は、多指ロボットに触覚を持たせることと、人間のメタ学習に関するより深い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、ゆるやかな視覚やアニメーションを生み出すバーチャルアートの分野で研究されてきました。[91]触覚技術は、2015年に開催されたTate Sensorium展で既存のアート作品の強化に使用されました。[92]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しました。[93]

空間

ニュース報道によると、触覚技術の使用は火星探査を含む宇宙探査に役立つ可能性があるとのことだ。[94]

参照

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