情報処理学会 インタラクション 2023
IPSJ Interaction 2023

3B-41
2023/3/1

質感の変化・取り替え可能な形状ディスプレイの基礎検討
今村 知美1,a)筧 康明2,b)

概要：物理的なピクセル群を制御して立体形状を表現する形状ディスプレイでは，形状変化に加えて色や質感の変化を両立するためには，別種の制御対象を扱わなければならず，装置が大型化することや，配線や制御が複雑化するといった問題があった．そこで本研究では，リニアアクチュエータ 2 本に対して取り付ける，駆動力を持たないモジュールを用いることで，他の機構を追加することなく，リニアアクチュエータ群のみを駆動源として，形状変化と色やテクスチャなどの質感の提示を同時に行う形状ディスプレイを提案する．簡易に取り付け・変更可能なモジュールを複数種類用意することで，手軽に任意の質感を表現することが可能な形状ディスプレイのデザインツールキットとしての実装を目指し，本稿では，数種類のモジュールによるプロトタイプについて報告する．

1. はじめにいずに，形状と色を同時に制御するアプローチとして，異なる色の膜を重ねて選択的に膨張させることで各ピクセル実素材の特性やその変化を活用したディスプレイは，物の大きさと色を同時に変化させる COLORISE [4] や，各理空間において立体的な情報表現やマルチモーダルなイン面が色で塗り分けられた複数のロボットが転がることで，タラクションが可能であるとして，研究や作品表現，空間ピクセルの位置と色を変える Rolling Pixels [5] が挙げられデザインなどの各面から注目を集めている．HCI 分野でる．これらは，環境の制約やシステムの複雑化といった問は，形状ディスプレイ（Shape Display）や形状変化インタ題を一部解決することに成功しているが，表現できる形状フェース（Shape-Changing Interfaces）と呼ばれ，研究がや色には限りがあった．

盛んに行われている．その中で Alexander らは，形状変化これらに対して本研究では，形状を制御するアクチュインタフェース研究の Ground Challenge として，ツールエータの動きを利用して色やテクスチャなどの「質感」をキット開発により実装の障壁を下げることや，色などの形合わせて制御する手法を提案する．関連する取り組みとし状以外の情報を装置を複雑化・大規模化させることなく付て，メディアアート分野において多く提案されてきたキネ与することを課題として挙げている [1]．

ティックインスタレーション作品の手法を参照する．代表

形状ディスプレイを実現する駆動方法として，二次元平的な作品として多数の木片にモータを取り付けて機械的に面状に並べられたピンアレイを上下動させて，形状表現を動作する鏡を実現した Daniel Rozin の Wooden Mirror [6]行う手法があり，inFORM [2] や Lumen [3] が代表例としをはじめとする Michanical Mirrors を挙げる．これらの多て挙げられる．これらの装置では，形状のみならずそれぞくは素材を二次元的に配置するものであるが，本研究ではれの色も動的に制御することに取り組んでいる．具体的に

2.5 次元的な形状変化と取り付けた素材の状態変化によるinFORM では，上部のプロジェクタからの映像投影によっ色彩・質感変化を両立した表現の実現を目指す．て色を加える．Lumen では形状記憶合金による垂直方向

もう一つの本研究のねらいとして，既存のピンアレイ型の動きと LED によって物理的な形状・動きと発光を独立形状ディスプレイに対して，ピン先端にモジュールを取りに制御する. こうした例は，実体ならではのマルチモーダ付けることで着せ替えるように手軽に質感表現を付与するルな表現を可能にする一方で，装置の大規模化や照明条件工夫がある．関連研究として，ピンアレイ群に対して，ピの制約，形状以外の制御対象が増えることによるシステム

ンアレイの上下動によって駆動される受動的なモジューの複雑化などの課題があった．プロジェクタや LED を用ル群を取り付けることで，単純な上下動に止まらない動きやインタラクションに拡張させる TRANS-DOCK [7] があ12a)b)

東京大学 大学院学際情報学府
東京大学 大学院情報学環
imamura@xlab.iii.u-tokyo.ac.jp
kakehi@iii.u-tokyo.ac.jp© 2023 Information Processing Society of Japanる．これに対して本研究では，リニアアクチュエータの上下動を活かして質感の変化・付与可能なモジュールを提案・942情報処理学会 インタラクション 2023
IPSJ Interaction 2023

図 13B-412023/3/1

システム概要図

設計する．
図 2

各ピクセルの変化（上）と形状変化（下）2. 提案手法
表 12.1 手法の概要
図 1 にシステムの概要を示す．本提案手法は，2 次元的実装したモジュールの寸法
線幅 (mm)

線高さ (mm)

巻数(a) 色2161に並べられたリニアアクチュエータ群による形状ディスプ(b) 表面質感21.2545レイを基盤とする．システムは，アクチュエータの先端に(c) 断面形状

21.450取り付けるモジュール，およびアクチュエータを駆動する(d) 線密度

21.440ための制御部からなる．
今回はモジュールの基本形状として，スプリング形状にな変化を生み出すこともできる．また，駆動する速さや加着目した．各モジュールは垂直に立てた 2 本のアクチュ

速度に応じてスプリング特有の振動や揺らぎの表現が生ま

エータにまたがるようにアーチ状に取り付け，それを 1 モれる．

ジュール単位としてピクセル状に並べる．図 2 のようにそ

図 3 に実装したモジュールの例を示す． それぞれのモれぞれの高さによって，全体として形状表現を行うと当時ジュールの詳細を次に述べる．直径は全て 35mm を基本とに，2 本の高さの差の違いによって，各ピクセルで色や質している．その他の寸法については表 1 にまとめた．

感の変化を提示することができる．

(a) 色 ポリ塩化ビニル製の，既製品のスリンキー（ベル

ここで，リニアアクチュエータの制御のみで形状変化と玩菓製）を用いた．表面の色が赤，水色，緑，黄色と，色や質感の変化両立していることから，システムの複雑さグラデーションで変化している．アクチュエータを動を増すことなく，形状ディスプレイの表現の幅を広げるこかしアーチの中の頂点を変化させていくことで，モとが可能になる．また，取り付けるモジュールを交換する

ジュールの見せ方を変えるだけで，ピクセルの色が連ことで，それぞれのピクセルで提示する色や素材感を変化続的に変化していくことを狙っている．

させることができる．

(b) 表面光沢 表面の質感が，ストーン調からメタリック調に変化していく．FDM 式 3D プリンタ（Creality 社

2.2 モジュール設計

Ender3-Pro）によって，PLA フィラメントをスプリスプリングがアーチを描くように両端をアクチュエータング形状に造形した後，グレーのストーン調スプレーに固定し駆動することで，1 対のアクチュエータの相対高とシルバーのラッカースプレーをグラデーションになさの変化によって，スプリングの中でのアーチの頂点になるように塗布した．これにより，表面質感の滑らかさ，る位置が変わる．このとき，あらかじめ異なる色や質感・粗さの変化と，光の反射率が変化することを意図して形状をスプリング上にマッピングしたモジュールを用いいる．

ることで，スプリングの中でどの層がアーチの上部に来る(c) 断面形状 スプリング全体の断面形状が，星形から円かに応じて各ピクセルの質感が変化する．本稿では，各モ形に変化していく．全体の長さのうち両端 2/5 がそれジュールで変化するパラメータは一つに限定したが，例えぞれ星形断面，円形断面，間の 1/5 で徐々に形状が変ば色の変化と断面形状の変化を同時に行うモジュールな化していくように設計した．具体的には星形は，24°

ど，複数要素を組み合わせたモジュールを用いてより複雑ごとに凹凸を繰り返すように設計されており，層ごと© 2023 Information Processing Society of Japan943

情報処理学会 インタラクション 2023
IPSJ Interaction 2023

3B-41
2023/3/1

図 4

取り替え可能なアタッチメント

れぞれ磁石が埋め込まれているため，簡単に付け外しできる．また，はめ込む部分は六角形になっており，動作中にねじれることを防止している．
モジュールを容易に取り付け・変更可能にすることで，専門知識がなくても所望の質感を表現する形状ディスプレイのデザインキットとして扱えるようになることを目指している．

3. 実装
前章で提案した実体ディスプレイの実装をおこなった．
リニアアクチュエータには Actuonix 社の P16-100-22-12-Pを，制御には ArduinoMega と，モータードライバに TB6612
図 3実装したモジュール（東芝）を使用した．
まず，モジュールを交換することにより付与する質感がに凹凸が互い違いになっている．凹凸の寸法は 4mm

変化することを検証するために，図 3 に示した 4 種類のモで，凸部分では中心から 21.5mm，凹部分では 13.5mm

ジュールで，2 本のアクチュエータ高さの違いによる，正の距離に先端が配置されている．アーチ状になった時

面と斜めの 2 方向からの単体のモジュールの見え方の変化に，星形ではギザギザした粗い質感を表現し，円形でを観察した．結果を図 5 に示した．アクチュエータ中心間は滑らかな表面になることで，(b) とは別のアプローの距離は 45mm に固定し，左のアクチュエータに対する右チで表面の滑らかさ，粗さをコントロールすることをのアクチュエータの高さが-70mm，0mm，+70mm の 3 条目指している．また，凹凸の数や長さによっても変化

件ずつ，カメラの輝度設定等は変えずに撮影した．

を持たせることができる．

(a) については，アーチ部分の色が，赤，水色，緑，黄(d) 線密度 スプリングの径が小さい層を部分的に作って色へと連続的に変化していく様子が観察できた．-70mm

いる．全体の長さの 1/3 では通常のスプリングと同様と+70mm では両端の高さの差が大きくややアーチ形状がに，間の 1/3 では 3 層中 1 層の直径が 1/3 に，反対側崩れたため，今後は，既製品以外に形状・色を設計するこの 1/3 では 3 層中 2 層の直径が 1/3 になるように設計とで適した寸法や動き，色彩変化の設計に取り組む．

した．これにより，線密度が高く密な表面から，線密(b) では，-70mm ではストーン調部分がアーチ上部を形度が低く疎な表面への変形を狙っている．(c)(d) は光成しているため左からの照明に対する反射光成分が少な造形方式の 3D プリンタ（Formlabs 社 Form 3）で造く，+70mm ではメタリック調部分が頂点にきているので形した．

反射光成分が多く観察された．

(c) では，星形断面による粗くギザギザした表面から，円2.3 取り替え可能なアタッチメント形断面による滑らかな表面への遷移が見られた．一方で，スプリングをアクチュエータに取り付けるためのアタッ断面の形状が変わったことで，アーチ形状になったときに，チメントを図 4 に示す．これは上下 2 つのパーツに分かれ(a)(b) のような全て円形断面のモジュールと比較して，傾ており，下パーツはアクチュエータ先端のネジ穴に固定さいたりねじれが発生しやすいなどやや不安定な様子も見られ，上パーツはスプリングの底面と天面に接着される．それた．

© 2023 Information Processing Society of Japan944

情報処理学会 インタラクション 2023
IPSJ Interaction 2023

3B-41
2023/3/1(d) では，線密度の高い表面から，間の径が小さく，外側に現れる線密度が低い表面への変化が観察できた．(c) と[4]同様に，断面形状が一律でないため，アーチを維持する際の不安定さがありさらなる工夫が必要である．
図 6 図 7 に，制作した形状ディスプレイの全体像を示した．本稿では，32 本のリニアアクチュエータと 16 個のモジュールを用いている．図 6 では色が変化するモジュー[5]ルを，図 7 では断面が変化するモジュールを 2 種類装着している．群として見ると，単体で見られたピクセルの変化がより強調されている．また，アクチュエータや制御部を収める箱は，黒色のアクリルで制作した．天面にはツヤがあり反射の起きやすい質感の素材を採用したため，上部のモジュールが天面に映ることでより視覚的な効果を増幅する効果が期待される．

4. おわりに本研究では，スプリング形状に着目したモジュールを用いた，立体的な形状変化と各ピクセルの色や質感の変化を

[6]
[7]

line), DOI: 10.1145/1186155.1186173 (2004).
Fujii, J., Matsunobu, T. and Kakehi, Y.: COLORISE:
Shape- and Color-Changing Pixels with Inﬂatable Elastomers and Interactions, Proceedings of the Twelfth International Conference on Tangible, Embedded, and Embodied Interaction, TEI ’18, New York, NY, USA, Association for Computing Machinery, pp. 199–204 (online),
DOI: 10.1145/3173225.3173228 (2018).
Lee, Y., Kim, M. and Kim, H.: Rolling Pixels: Robotic
Steinmetz Solids for Creating Physical Animations, Proceedings of the Fourteenth International Conference onTangible, Embedded, and Embodied Interaction, TEI ’20,
New York, NY, USA, Association for Computing Machinery, p. 557–564 (online), DOI: 10.1145/3374920.3374987(2020).
Rozin,D.:
Woodenmirror(1999).
http://www.smoothware.com/danny/woodenmirror.html.
Nakagaki, K., Liu, Y. R., Nelson-Arzuaga, C. and Ishii,
H.: TRANS-DOCK: Expanding the Interactivity of PinBased Shape Displays by Docking Mechanical Transducers, Proceedings of the Fourteenth International Conference on Tangible, Embedded, and Embodied Interaction, TEI ’20, New York, NY, USA, Association
for Computing Machinery, pp. 131–142 (online), DOI:
10.1145/3374920.3374933 (2020).

両立する形状ディスプレイを提案した．

2 本のリニアアクチュエータに一つのモジュールを取り付け，その高さによって立体形状を，高さの差によってピ
クセルの変化を表現することで，1 種類のアクチュエータの制御だけで，2 種類の表現を可能にした．
今後は，スプリング以外の形状も含めて，狙った質感を表現するためのモジュールの探索を続けるとともに，インタラクションの付与や，ツールキットとしての実装にも取り組む．また，今回はモジュール単体の見え方の違いを記録したが，今後は群としての見え方，または動かし方による印象の変化の検証や，定量的な評価も行い，求める質感からモジュール形状を設計できる手法の開発を目指す．
謝辞 本研究は JSPS 科研費 JP20H05960 の支援を受けた．また，制御装置の実装に多大な協力をいただいた渡辺啓介氏に感謝する．
参考文献
[1]

[2]

[3]

Alexander, J., Roudaut, A., Steimle, J., Hornbæk, K.,
Bruns Alonso, M., Follmer, S. and Merritt, T.: Grandchallenges in shape-changing interface research, Proceedings of the 2018 CHI conference on human factors incomputing systems, pp. 1–14 (2018).
Follmer, S., Leithinger, D., Olwal, A., Hogge, A. and Ishii,
H.: InFORM: Dynamic Physical Aﬀordances and Constraints through Shape and Object Actuation, Proceedings of the 26th Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology, UIST ’13, New York, NY,USA, Association for Computing Machinery, pp. 417–426(online), DOI: 10.1145/2501988.2502032 (2013).
Poupyrev, I., Nashida, T., Maruyama, S., Rekimoto, J.
and Yamaji, Y.: Lumen: Interactive Visual and Shape
Display for Calm Computing, ACM SIGGRAPH 2004
Emerging Technologies, SIGGRAPH ’04, New York, NY,USA, Association for Computing Machinery, p. 17 (on-© 2023 Information Processing Society of Japan945

情報処理学会 インタラクション 2023
IPSJ Interaction 2023

3B-41
2023/3/1

図 5

図 6

高さの違いによる見え方の変化

色変化モジュールを実装した形状ディスプレイ

© 2023 Information Processing Society of Japan

図 7

断面形状変化モジュールを実装した形状ディスプレイ

946