(57)【要約】  本発明は、情報技術に関するものであり、手のひら及び指の内側及び外側ならびに指に存在する受容体の刺激の結果として生じる接触性外受容感覚をシミュレートする手袋として設計される。本装置は、例えば、刺激部材が配置された繊維材料から製造され、皮膚表面を介して受容体に直接作用する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接触性外受容感覚をシミュレート及び伝達する装置であって、
弾性材料からなる手袋と、
手袋の複数の領域に固定され、機械受容器であるマイスナー小体、パチニ小体、ルフィニ小体及びクラウゼ小体の位置と、メルケル神経終末の位置の領域で指及び手のひらと接触する、機械的、動的及び熱的作用を与える複数の刺激部材と、
前記複数の刺激部材に接続され、コンピュータ又はスマートフォンの制御ソフトウェアと通信する制御通信ユニットと、
電源と、を備える、装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、前記複数の刺激部材が手のひら及び指の指骨の内側及び外側に配置される、装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置であって、手首に固定するための固定部材をさらに備える、装置。
【請求項４】
請求項１に記載の装置を使用して受容体を刺激することで接触性外受容感覚をシミュレート及び伝達する方法であって、
表面の質感の感覚は、触覚機械受容器であるマイスナー小体とパチニ小体の振動刺激によって模倣され、
前記表面に沿った方向付けられた接触運動の感覚は、皮膚の変位によるメルケル神経終末への刺激と同期した、触覚機械受容器であるマイスナー小体とパチニ小体の振動刺激によって模倣され、
表面温度の感覚は、触覚機械受容器であるルフィニ小体とクラウゼ小体の熱刺激によって模倣され、
前記表面の接触の感覚は、触覚機械受容器であるパチニ小体への圧力によって模倣される、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、情報技術に関するものであり、コンピュータ、携帯電話、及び他の電子機器を使用して、皮膚表面にある受容体の刺激の結果として生じる接触性外受容感覚をシミュレートするために利用するものである。
【０００２】
特に、本発明は、接触性外受容感覚をシミュレートするため、振動要素、接触要素、運動要素、加熱要素及び冷却要素を備え、受容体の刺激に使用される手袋形状の装置を提供する。
【背景技術】
【０００３】
現在、ゲームコントローラとゲームパッドの使用が知られている。ゲームコントローラとゲームパッドは、両手操作のリモートコントローラであり、親指で操作するためのボタン及び左右対称に配置されたアナログジョイスティックを有し、フィードバック手段として振動機能を備えている。しかしながら、このような装置は一般に、ユーザの手に瞬間的な振動のみを伝達するものである。
【０００４】
米国特許第６，６７７，９３２号は、タッチタイピングを認識し、ユーザーへの触覚フィードバックを生成するためのシステムと方法を開示している。この装置は、機械的なボタンを押すことをシミュレートするための触覚フィードバックを提供する。この発明の目的は、キーボードをタイプするときに触覚フィードバックを提供して、指がボタンを通り過ぎるタイプミスを防ぐことである。このプロセスでは、ボタンをタッチすることだけがシミュレートされ、音声又は振動信号のみが発せられる。
【０００５】
人体に振動を加えるシステム及び方法は、米国特許第８，１３９，８０３号に記載されている。この振動システムは、電気信号を振動に変換可能なバイブレータを備えている。一実施形態では、バイブレータは人体上あるいは人体の近く、胸筋上であって胸骨から離れた位置に配置される。他の実施形態では、人体表面に振動を発生させるため、バイブレータは人体上又は人体の近くに配置される。この装置は、胸部領域又はその付近へのみ振動感覚を伝達するものであって、触覚の伝達をシミュレートするわけではない。
【０００６】
バーチャルリアリティの手袋には多くのバリエーションがあるが、それらはバーチャルリアリティプログラムの「バーチャルハンド」を制御するための指の位置及び動作のセンサを備えている。一部の手袋には、触覚のフィードバックとシミュレーションを提供する振動駆動システムが含まれている。そのような手袋の例は、Dextra Robotics社のDexmo手袋（http://www.dextarobotics.com）、Peregrine手袋（http://theperegrine.com）や、Manus VR手袋（https://manus-vr.com）である。
【０００７】
しかしながら、既知の手袋は、バーチャルリアリティにおいて触覚の全て（物体の振動、接触、動き、質感及び温度の感覚を含む）を提供するわけではない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、様々な触覚をシミュレートするためのコンパクトで製造及び使用が容易な装置と、この装置を使用して様々な触覚をシミュレートする方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的は、受容野での触覚作用を利用して触覚をシミュレートする手袋形状の装置を作成することで達成される。提案する装置は、シンプルで使いやすく、当該装置によって、ポータブル・モバイル形態でシミュレートされた現実を知覚可能となる。
【００１０】
本発明の装置は、以下を含む。
・弾性材料からなる手袋
・手袋の複数の領域に固定され、機械受容器であるマイスナー小体、パチニ小体、ルフィニ小体の位置と、メルケル神経終末の位置の領域で指及び手のひらと接触する機械的、動的及び熱的作用を与える複数の刺激部材
・前記複数の刺激部材に接続され、コンピュータ又はスマートフォンの制御ソフトウェアと通信する制御通信ユニット
・電源
【００１１】
本発明の実施形態の一つは、手袋形状の装置である。装置に配置された複数の刺激部材が皮膚、この場合は手の指と手のひらの接触性外受容感覚を刺激する。複数の刺激部材は、互いに同期し、機械的、動的及び熱的作用、すなわち振動、圧縮、膨張、変異、圧力、加熱及び冷却の作用を伝達する。
【００１２】
一実施形態において、本発明は、物体、イベント、あるいは最も知覚的なイメージを生成するために伝達された感覚の視覚化のための付属物として用いることができる。
【００１３】
一実施形態において、本発明の装置は、指の先端及び手のひらに配置され、触覚を生成するために用いられる触覚刺激部材を備える。
【００１４】
一実施形態において、本発明の装置は、指骨の内側及び手の内側における振動感覚をシミュレートするために使用される振動刺激部材を備える。
【００１５】
一実施形態において、本発明の装置は、温度感覚をシミュレートするために使用され、手の内側及び外側に配置される熱刺激部材を備える。
【００１６】
一実施形態において、本発明の装置は、手首に固定するための固定部材を備える。
【００１７】
本発明の方法の一実施形態において、接触性外受容感覚の模倣及び受容が、上記装置によって実行される。伝達される感覚は、指と手のひらの受容体への連続的又は同時の作用によって生成される。ここで、作用は、装置の制御及び通信ユニットを介して有線又は無線で装置に接続された複数の刺激部材によって実行され、複数の刺激部材は、コンピュータ又はスマートフォンにインストールされたソフトウェアによって制御される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る手袋の形態の装置を示し、手のひらの内側の「Ｂ」の文字は、受容作用の領域を示す。
【図２】全ての刺激された触覚機械受容器が最も集まった領域を含む、手のひらの内側の受容野における受容作用の最も効果的なゾーンを示す。
【図３】手のひらの内側の、マイスナー小体と呼ばれる触覚機械受容器が最も集まった領域を示す。
【図４】手のひらの内側の、パチニ小体と呼ばれる触覚機械受容器が最も集まった領域を示す。
【図５】手のひらの内側の、メルケル神経終末と呼ばれる触覚機械受容器が最も集まった領域を示す。
【図６】手のひらの内側の、ルフィニ小体及びクラウゼ小体と呼ばれる触覚機械受容器が最も集まった領域を示す。
【図７】人差し指の先端領域の受容野に作用要素を配置する変形例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明で使用される「外受容感覚」という用語は、外界からの情報によって人の意識にもたらされる感覚を意味する。
【００２０】
本発明による装置によって生成される好ましい外受容感覚は、接触性外受容感覚、すなわち、触覚及び温度感覚である。
【００２１】
本発明に係る装置において、情報を受信する触覚的方法は、接触性外受容感覚を生成するために使用される。感覚は、様々な外部刺激部材が受容野に触れることで模倣される。
【００２２】
一実施形態では、受容野に作用する刺激部材が手の指の指骨の内側及び手のひらの内側に位置する手袋形状の装置が提供される（図１参照）。
【００２３】
刺激部材の作用は、触覚、圧力、皮膚の伸び、温度変化などの現象を知覚する触覚機械受容器に与えられる。この受容野の影響を受ける要素は、ミエリン欠如層と神経鞘を有する自由神経終末、触覚機械受容器であるマイスナー小体、パチニ小体、ルフィニ小体及びクラウゼ小体、そしてメルケル神経終末である。
【００２４】
機械受容器の一般的な機能と特性の詳細な説明は、２００１年にオックスフォード大学のSinauer Associatesから出版された「Neuroscience第２版」に記載されている。対応するセクションは、https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK11162/から入手可能である。
【００２５】
機械受容器であるマイスナー小体、パチニ小体、ルフィニ小体及びクラウゼ小体の説明は、D. J. Taylor, N. P. O. Green, G. W. Stout, R. Soperによる「Biological Science 1 and 2」第３版第２刷（１９９７年、ケンブリッジ大学出版局）に開示されている。この本では、特に、表皮下に存在し、液体で満たされたカプセルに包まれた１本の回旋状の神経終末からなるマイスナー小体と呼ばれる特殊な受容体が、手ざわりに反応すると主張されている。皮膚、関節、腱、筋肉、腸間膜には、結合組織層に覆われた、1つのニューロンの端部により構成されるパチニ小体がある。この受容体は、圧力に反応する。また、真皮には温度感受性をもたらすと考えられている２種類の受容体があることも示されている。熱に反応するルフィニ小体と、冷たさに反応するクラウゼ小体である。
【００２６】
触覚刺激を知覚するメルケル細胞（メルケル盤）の位置及び機能については、Halata Z., Baumann K. I., Grim M. による「Merkel Nerve Endings Functioning as Mechanoreceptors in Vertebrates」に開示されている（「The Merkel Cell: Structure -- Development -- Function -- Cancerogenesis」２００３年、シュプリンガー出版、Baumann K. I.、Halata Z.、Moll I.（編））。
【００２７】
本発明に係る一実施形態の装置において、受容野における受動作用の最も効果的な領域は、対応する触覚機械受容器が最も集まった場所と定義される（図２参照）。
【００２８】
触覚機械受容器の受容野において感覚神経を直接刺激することによって、異なる感覚をシミュレートすることができる。
【００２９】
マイスナー小体と呼ばれる触覚機械受容器は、受容野に振動作用の方式で刺激を与えることにより、例えば３０Ｈｚから４０Ｈｚの周波数範囲の交流電流を生成して作用領域の皮膚と接触する圧電素子の形状を変えることにより活性化される。マイスナー小体の最も密集した領域が、図３に示されている。この作用は、マイスナー小体が体の表面位置である表皮内にあることにより、弱い直接接触をシミュレートする。
【００３０】
パチニ小体と呼ばれる触覚機械受容器は、７０Ｈｚから８００Ｈｚの周波数範囲の振動作用方式での作用中に、活性化される。パチニ小体の最も密集した領域は、図４に示されている。この作用は、強い直接接触をシミュレートする。
【００３１】
最も密集した領域が図５に示されるメルケル神経終末の同時作用の間、接触領域において皮膚表面の刺激部材との接触を維持し、刺激ゾーンの皮膚表面を１〜２ミリメートルの範囲で変位させることにより、作用が生じる。この作用により、露出領域周辺の皮膚表面に僅かな張力が生じる。これと感触の模倣とを組み合わせることで、作用領域の表面上における感触の移動の感覚をシミュレートする。
【００３２】
同時に、触覚機械受容器、すなわちパチニ小体は広範囲の周波数で作用するため、周波数を短期的に変更することで表面の質感をシミュレートすることができ、したがって滑らかな表面や荒い表面をシミュレートすることができる。
【００３３】
受容面に沿った振動刺激部材と変位刺激部材の同時かつ方向づけされた作用によって、表面に沿った感触の移動方向をシミュレートできる。この場合、変位の鋭さと程度は、上記の振動作用の速度の増加又は減少と組み合わせて、表面上の移動開始の鋭さ及び移動速度をシミュレートする。
【００３４】
受容野の領域に０．１７ｍｍ以上の深さまで熱作用を加えることにより、触覚機械受容器、すなわちルフィニ小体が活性化される。ルフィニ小体の最も密集した領域は、図６に示されている。この受容体は、温覚の受容体であり、上記の作用と組み合わせて、接触されシミュレートされた表面の温度上昇の感覚を模擬する。熱作用は、例えば、受容領域内の皮膚と接触する熱電素子によって実行され得る。ペルチェ素子と呼ばれる熱電素子を使用することができる。この素子は、２つの異なる導体で構成される。2つの異なる導体の接合部に電流が流れると、その箇所でのエネルギーの放出により加熱がなされる。
【００３５】
受容野の領域に０．３ｍｍ以上の深さまで冷却作用を加えることにより、触覚機械受容器、すなわちクラウゼ小体が作用する。クラウゼ小体の最も密集した領域は、図６に示されている。この受容体は冷覚の受容体であり、上記の作用と組み合わせて、接触されシミュレートされた表面の温度低下の感覚をシミュレートする。熱作用は、例えば、受容領域内の皮膚と接触する熱電素子によって実行され得る。ペルチェ素子と呼ばれる熱電素子を使用することができる。２つの異なる導体の接合部に電流が流れると、その箇所でのエネルギーの吸収により冷却がなされる。
【００３６】
特に、本発明のこの実施形態では、接触ゾーンの温度を＋４０度から−５度の範囲で変更することが可能であり、電流の向きと強さを変更することで、接触領域において接触が維持されている間、その温度を調整することが可能である。
【００３７】
受容野の領域に機械的圧力、例えば原始的な機械的要素及び方法による圧力を加えることにより、触覚機械受容器、すなわちパチニ小体が作用する。この受容体は感圧受容体でもあり、その活性化は表面の圧力感覚をシミュレートする。
【００３８】
表面に沿った移動の方向、触知可能なエンボス加工された質感の形成、接触する強さ、表面温度のシミュレーションは、上述したシミュレートされたプロセスを単一のシステムで調整及び制御することにより実現される。
【００３９】
本発明に係る装置に配置された刺激部材の制御は、特定の刺激部材に接続された、好ましくはWi-Fi（登録商標）又はBluetooth（登録商標）により無線接続された制御及び通信ユニットを介し、コンピュータ又はスマートフォンにインストールされたソフトウェアによって実行される。
【００４０】
装置の電力は、装置上の特定の電源から供給される。
【００４１】
本発明に係る装置の一実施形態が図１に示されている。
【００４２】
例えば、本発明に係る手袋形状の装置を用いて、開いた手のひら上における垂直方向の、滑らかな、冷たい表面の、先端側から付け根側へのゆっくりで軽い接触動作をシミュレートするには、図２で定義される受容野に対して、次の刺激部材を同時に作用させる必要がある。
・２００Ｈｚから５００Ｈｚの範囲の一定周波数の振動刺激部材
・０．３ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲で皮膚表面を上方に変位させる刺激部材
・摂氏１２度〜１８度の温度範囲の冷感刺激部材
【００４３】
図７は、本発明に係る手袋形状の装置において、人差し指の先端領域の受容野に作用する刺激部材を配置する変形例を示す。
【００４４】
以上、本発明を詳細に説明したが、当業者は、変形及び同等の置換を行うことができ、また、そのような変形及び置換は添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内であることを認識するであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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