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Transtiﬀ: 人工筋肉機構による硬軟変化関節を備えた棒状触覚デバイスの提案
小倉 歩1,a)

伊藤 弘大1,b)

吉田 成朗2,c)

田中 一敏2,d)

伊藤 雄一1,e)

概要：私たちは生活の中で，日常的に箸やペンに代表される「棒状物体」を操作している．手から得られる微細な感触の変化を知覚することで，巧みな棒状物体の操作を可能にしているとともに，棒状物体の先端で触れる対象物を間接的に感じ取ることができる．本研究ではそうした手で把持する棒状物体によるイ
ンタラクションに着目し，動的に硬軟変化する関節を備えた棒状デバイスである “Transtiﬀ” を提案する．
一般的に曲げることができない棒状の物体に対し，Transtiﬀ では操作する棒の硬さを変化して知覚させる
ことで，棒状物体の特性やそれを介して触れる対象物の硬さが変化したかのように感じさせることを狙う．
本デバイスは人工筋肉の機構を採用し，小型のモータを利用したピストン機構によって，柔軟なチューブの中で液体への圧力を制御することで，関節の硬軟制御を行う．デバイスの性能評価として，硬度測定実
験と剛性測定実験を実施した．その結果，Transtiﬀ の硬度は一般的な輪ゴムからタイヤ程度の硬さまで変化し，剛性は特定の条件で最大 4.33 倍に増加することを確認した．また，本デバイスを用いたアプリケー
ションを実装し，デモンストレーションを実施した結果，Transtiﬀ がペンやブラシに類似した触覚を提供できることが分かった．

1. はじめにの内，硬さの知覚は，数種類の知覚原理に基づいて行われており，ある程度の硬さのものを触るときは，対象物を押人々は日常的に，箸やペンに代表される「棒状物体」をしたときのたわみ具合と反発力を感覚として受容し，硬さ

手で操作して生活している．人間の手の感覚を司る脳の領として知覚するとされている [10]．そのため，動的な硬さ

域は他の人体部位に比べて大きく，細かな情報を処理するの変化を実現するのは難しく，既存の力触覚デバイスの多ことを得意としている [1]．こうした処理基盤をもとに，手くは，装着や設置を必要とするものや，複雑な機構を持つから得られる感触の変化を知覚することで，人間は巧みなものが多い．

棒状物体の操作を可能にしている [2]．この際，棒を把持しそこで本研究では，既存の研究 [3–9, 11–13] と異なり，たときの感覚は操作体験に大きく影響を与えることから，ユーザの手や指に直接触覚を提示せず，簡素な機構でデバ把持感覚を制御する技術によって，触覚体験を拡張するこイス自身の硬さを変化させることで，間接的にユーザの知とができると考える．

覚する触覚を変え，デバイスの使用感そのものを変化させ

近年はバーチャルリアリティ（VR）技術の進展に伴い，ることを目指す．これに向けて，動的に硬さが変わる関節

視聴覚にとどまらない感覚提示として触覚提示の研究が盛を適用した棒状インタフェースを提案する．硬軟変化する

んに行われている．特にバーチャル空間上のオブジェクト

関節は，人工筋肉の機構を採用し，小型のモータを利用しに直接手で触れるような感覚を生み出すためのデバイスがたピストン機構によって，柔軟なチューブの中で液体の圧数多く提案されている [3–9]．デバイスが提示する感覚は，力を制御することで実現する．この機構を適用したインタ

オブジェクトの大きさ・形状・重量・テクスチャ・硬さな

フェースを作成し，操作する棒の硬さを変化させ，あたか

ど多岐に渡り，目的ごとに異なる要素を提示している．こも違うオブジェクトを把持しているかのような感覚を再現
する．

1
2
a)
b)
c)
d)
e)

青山学院大学 大学院理工学研究科
オムロン サイニックエックス株式会社
ayumu.ogura@x-lab.teamkodai.ito@it.aoyama.ac.jp
shigeo.yoshida@sinicx.com
kazutoshi.tanaka@sinicx.com
itoh@it.aoyama.ac.jp© 2024 Information Processing Society of Japan

本稿では，棒先端の関節が動的に硬軟変化する触覚イン
タフェース「Transtiﬀ」を実装する．硬度変化・剛性変化の計測実験を実施し，Transtiﬀ の硬軟変化に関して，物性および変形の観点から評価する．また，作成した本デバイ

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ス用のアプリケーションについて説明し，当アプリの体験

動・衝撃・圧力・音の提示をしており，硬軟感覚の再現は者から得られた意見について述べる．

していない．Chen らの “MH-Pen” [12] は，ペン型デバイ

2. 関連研究スの内部に磁気粘性流体（MR 流体）アクチュエータを内蔵し，コイルの磁界制御によって流体の剛性を制御するこ

本章では，2.1 節で手掌部への触覚変化を対象とした既とで，ペンの押し込み動作に対する知覚を変化させている．

存のデバイスについて述べ，本研究と同様の「棒状インタ内蔵されたボイスコイルモータとリニアモータにより振動

フェース」に関する多くの検討がなされていることを説明

フィードバックも可能であり，タッチパネルでの触覚インする．一方で 2.2 節では，我々の新たなアプローチである，

タラクションに適している．このデバイスではペンを軸方

硬軟変化関節を備えたデバイスの実装に使用した，ソフト

向に押し込んだ際の硬軟感覚が変化するものの，径方向にアクチュエータ・人工筋肉に関する要素技術を紹介する．

は変化しないため，ペンが曲がっているような感覚の再現は難しい．液体を利用したペン型デバイスとして Xu らは

2.1 手掌部への触覚変化を対象とするデバイス“Hydrauio” [13] を提案しており，人差し指に触れている水人間の手へ触覚体験を提供する研究は数多く行われてい袋の剛性を制御することで，指腹へ触覚を提示している．

る．手全体への触覚提示を可能とするグローブ型のデバ

提示部位は人差し指に限定されてしまうものの，流体ベーイス [3, 4] や，手掌部への出力を主としたハンドヘルド型

スの触覚インタフェースの有用性を示している．Fellion ら

デバイス [5–7] など，アプローチは多岐に渡る．最新のグは柔軟に曲がるスタイラスである “FlexStylus” [14] を提ローブ型デバイスとして，近年 HaptX 社が “HaptX Gloves

案し，デバイスの曲がり具合に応じてストロークの描画をG1” [4] を公開している．手掌部に均一に配置された空気変化させるシステムを実現している．しかし，動的な硬軟

圧式アクチュエータと，外骨格内のワイヤーを制御するこ変化機構は備えておらず，デバイスを硬くすることはできとで，バーチャル空間上のオブジェクトに直接触れるかのない．

ような体験ができる．一方で，グローブ型デバイスは手掌

また，本研究の応用と関連の深いペン型デバイスとして，部全体に触覚を提示できるものの，身体への装着が必要と

Liu らは，粒子の密度によって状態変化する現象であるジャなる．

ミング転移を用いたペンインタフェース “FlexStroke” [15]ハンドヘルド型デバイスの開発も盛んであり，Tengを提案している．デバイスの先端で空気圧を制御することらは，手掌部のエアバッグを，バーチャル空間上のオブでジャミング転移を起こし，中国筆・油筆・クレヨンの触覚

ジェクトと同様の形状に膨らませることで把持感覚を提

感覚を再現できる．この研究では，デバイスの先端そのも示する “PuPoP” [5] を提案している．Sun らの提案するのを硬軟変化させており，本来の画材と非常に近い使用感“PaCaPa” [6] では，バーチャル空間上の棒でオブジェクを再現できるものの，応用先としてはペイントアプリケー

トに触れた時の感覚を，実際に把持しているデバイスがションについてしか述べられていない．また，空気圧制御

開くことによる手のひらと指への圧力変化によって提示のため外部にコンプレッサが必要となる．これに対し本研する．これにより，バーチャルオブジェクトに対する大き究では，棒軸上の関節が硬軟変化することで，実際には棒

さ・形・硬さの知覚を可能にしている．また，Heo らの提先端自体の材質は変化していないのに道具の使用感が変化

案する “Thor’s Hammer” [7] は，プロペラの推進力を利用するため，ペン（ペイント）以外の棒状物体への応用も考することで，3 次元的な力覚フィードバックを実現していえられる．また，硬軟制御には内部の流体のみを用いるた

る．これらのデバイスは，いずれもバーチャル空間におけ

め，予めデバイスに液体を充填する必要があるものの，外るオブジェクト形状や接触感覚・力覚の再現を目的として部コンプレッサを必要としないという点で構成が大きく異おり，手掌部への触覚提示が VR 体験の質を向上させるこなる．

とを示している．

ペン型以外の棒状デバイスも研究されている．例えば，

本研究との関連が深い触覚提示に棒状デバイスを用いる

Kato らの “HapSticks” [9] は箸型のデバイスであり，箸の研究では，特にペン型デバイスとしての実装が多く見ら

中央部に取り付けられたモータによってトルクを制御する

れる．3D Systems 社が販売する “Touch X” [8] は，PC 画

ことで把持感覚を変化させ，バーチャル空間上で掴んでい面上に表示されているオブジェクトに触れた際の反力を，るものの重量感を再現している．

ペンの部分から力覚フィードバックとして出力すること

棒状の道具を使用する前提で，ディスプレイ自体がユーザができる．一方で，デバイスが設置型であるためペンの可に触覚をフィードバックをする研究もされている．Tsujita

動域に制約が生じるという課題を持つ．Kyung らは，デらは，手術トレーニングのための皮膚組織表面を再現した

バイスに内蔵された数種類のバイブレータとスピーカか

ディスプレイを提案している [16]．ディスプレイ内に MRらのフィードバックによって直感的な操作を可能にする

流体を配置し，電磁コイルとモータを用いて局所的に平面“wUbi-pen” [11] を提案している．このデバイスでは，振の硬軟を変化させることで，ユーザが手術器具でディスプ© 2024 Information Processing Society of Japan42

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レイに触れる感触を変化させている．Watanabe らは，ペチュエータを提案している [30]．Zhang らは，形状記憶ポンデバイスでディスプレイに筆記する際に，仮想の筆先をリマー (SMP) をアクチュエータに埋め込むことにより，温表示することで「書き味」を再現し，疑似的な触覚変化を生度制御でポリマーの剛性を変化させ，耐荷重を向上させて成するシステム “FlexibleBrush” を提案している [17]．こいる [31]．また，磁界の強度によって剛性が変化する流体のように，使用する場面が限定的な場合は，ディスプレイ

である MR 流体 [32] もよく利用されている．大場らは，圧自体がフィードバックを行うシステムを用意することで，縮ばねの周りに満たした MR 流体にかける磁界を制御する

効果的に触覚を提示できる．

ことで，ばねの保持力を変化させ，やわらかい動作を実現

以上のように，デバイスを介して触覚を提示するデバイする直動型関節を提案している [33]．しかし，これらの機スはいくつも提案されている．しかし，身体への装着が必

能性材料を用いた手法に関しては，入手や管理が難しく，

要，デバイスが設置型になる，もしくは外部機器の接続を容易に使用できないという難点がある．

必要とする，使用部品が多く構成が複雑になるといった課

以上のように，柔軟な剛性変化関節を実現しようとする

題が挙げられる．また，既存の硬軟提示を行う棒状デバイ

研究は多い．レイヤージャミングを用いた手法では，関節スに関しても，曲げ方向への硬軟提示ができないものや，が曲がる方向が限定されてしまい，触覚デバイスとして制硬軟変化が棒の先端全体に及ぶことで応用先が限定されて限が生じてしまう．また，機能性材料を用いた手法に関し

しまうといった問題がある．これに対し我々は，棒を介しては，入手や管理が難しいという難点がある．これらの点

た触覚拡張においては，多くの出力装置を搭載せずとも，から，単純な流体操作のみで実現できるソフトアクチュ

棒軸の一部の硬さが変わるだけで大きな触覚の変化が得ら

エータの構造が，触覚デバイスへの応用に適していると考れると考えた．そして，硬さが効率的に変化する要素技術

えられる．そこで本研究では，本節で紹介した，流体を利として，ソフトアクチュエータ・人工筋肉に注目した．

用した人工筋肉として一般的な “マッキベン型人工筋肉”の機構を，小型の触覚デバイスの機構として応用する．こ2.2 ソフトアクチュエータ・人工筋肉
ソフトロボティクス技術の発展に伴い，柔軟な剛性変化が可能な関節の研究が進んでいる [18]．特に，空気圧によってアクチュエータの伸縮や屈曲を制御する手法はよく用いられており，ロボットハンドや [19]，パワーアシスト
デバイスなどに利用されている [20, 21]．これらの空気圧れにより，前述した課題に捕らわれない簡素な機構かつ多くの棒状物体に応用可能な硬軟変化インタフェースの実装を目指す．

3. Transtiﬀ
3.1 デバイスの概要

アクチュエータは，人工筋肉としても応用されることが多図 1 にデバイスの概要を示す．本提案では，チューブ（関く [22]，2 層のチューブ内で流体を加圧することにより軸節）部分の硬軟を制御することで，デバイスで触れたもの方向に収縮する “マッキベン型人工筋肉” [23–26]，チューの硬さに対する感覚を変化させることを目標としている．

ブの軸方向に繊維を配置することで人工筋としての収縮率

人間が普段利用している棒状物体は多岐に渡るが，使用を上昇させた “ワルシャワ型人工筋肉” [27]，蛇腹構造のゴ頻度が高く，ある程度径が大きくても違和感なく使用でき

ムフィンガに対して空気圧制御を行うことで湾曲動作するるという点から，ペン型のデバイスを作成することにした．

“ニューマティックフィンガ” [28] など，様々な機構が提案

ペンのように，軽い・持ちやすいといった特性を損ねずに，されている．

ユーザが知覚する硬軟感覚の変化を目指す．

また，空気圧を用いたソフトアクチュエータと，2.1 節で前述したジャミング転移を組み合わせた提案もされてい3.2 プロトタイプの実装

る．Wall らは，レイヤージャミング（重ね合わせたシート

作成したデバイスのプロトタイプ要件について説明すに対するジャミング転移）を用いることで，剛性が大きくる．図 2 にデバイスの構成を示す．作成したプロトタイプ

変化するソフトアクチュエータを提案している [29]．これ

は，全長が 16.8 mm，重量が 43 g，持ち手の径が 10 mm

により，従来の手法よりも効率的に硬軟変化が可能なソフとなった．構造は大きく分けて，硬軟が変化する関節部，

トアクチュエータを実現している．一方で，この手法では関節部にかかる圧力を制御するピストン部，ピストンを駆アクチュエータの屈曲する方向が，シート面と対向する方動させるモータ部，モータを制御する制御基板から構成さ

向に限定されてしまい，シート面と平行な方向には曲がりれる．制御基板の詳細については 3.3 節に示す．

づらい．

デバイス内部では，エンコーダ付きモータ（DC モータ，

近年では，機能性材料の持つ特徴を利用するソフトアクGA12-N20，100 rpm）に接続された送りねじが回転するこ

チュエータも多く開発されている．Hao らは，低融点合とでナットが直線的に移動し，取り付けられたピストンの金（LMPA）を埋め込み，ヒータで液体–固体の状態変化

往復運動が可能となっている．これにより，シリンダに留を起こすことで，従来よりも剛性の変化幅が大きいアクまっていた液体が加圧されることでシリコンチューブ方向© 2024 Information Processing Society of Japan43

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図 1Transtiﬀ (左：硬い状態, 右：軟らかい状態)

図 2

デバイスの構成（関節部）に押し出される．関節部はマッキベン型人工筋肉の機構を備えており，内側がシリコンチューブ，外側がポリエステル製編組チューブの 2 層構造で構成されている．
ピストンにより関節部で水を加圧すると，シリコンチュー
ブは径方向へ膨張しようする．しかし，外側の編組チュー
ブが膨張を押さえつけるため，軸方向への収縮が起き，関節全体の剛性が増加する．図 3 に剛性が増加するメカニズ
ムを示す．
今回のプロトタイプの実装では，チューブの硬度変化する部分の長さは 15 mm になるように設計した．これは，一般的にペンを把持した際の先端から指までの距離を参考に
図 3設定した．チューブの両末端は，液体の漏出を防ぐために，先端側にはペン先部品との接続が可能なネジ製のプラグの挿入，シリンダ側にはコーキングテープを巻きつけた上にホースバンドで締め付けをしている．シリンダやモータは
一般的に市販されているものを使用し，ピストンやモータ
固定部品は 3D プリンタを利用して自作した．

3.3 硬軟の制御手法
Transtiﬀ では，関節部の硬軟を変化させるため，制御基
板を介してピストン運動の方向と移動距離を制御している．
制御基板はデバイス制御の中心となるマイコン（ESP32-

DevKitC）と，モータの回転方向を変化させるためのモータドライバ（東芝製 TA7291P）から構成される．ユーザ
はタブレット端末（Apple 製 iPad Pro）上に Unity で実装したアプリケーションからピストンを操作することができ，マイコンとタブレットの間で Bluetooth 通信することで，指示を送信している．ピストン運動の方向は，モー© 2024 Information Processing Society of Japan

剛性増加のメカニズム

タの回転方向を切り替えることで制御している．一方で，ピストン運動の移動距離は，モータに取り付けられたエン
コーダによって回転数を測定し，指定した回転数に到達するまでモータを駆動させる手法を取ることで，任意の距離分移動するよう制御する．図 4 に Transtiﬀ のシステム構成を示す．

4. 性能評価
Transtiﬀ の硬軟が実際に変化しているかを定量的に調査するため，2 種類の測定実験を実施した．本章では，硬度および剛性測定のために実施した実験について述べ，測定結果から硬軟変化を評価する．

4.1 硬度変化の計測実験
本実験では，Transtiﬀ の硬軟変化機構による，硬度の変化の度合いに関して定量的に評価することを目的として，

44

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図 4

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システム構成硬度計（デュロメータ）を用いて Transtiﬀ の関節部の硬度
図 5を測定した．これにより， 本来主観的な感覚でしか得られない，硬い/軟らかいという感覚的な値を客観的に評価

硬度測定実験

する．

表 1 測定した硬度の中央値
測定対象
測定結果の中央値

4.1.1 実験手順

加圧 0 %

12

実験手順として，Transtiﬀ を台座に固定した状態で，関加圧 25 %

31

節部中央にデュロメータの測定針を合わせて測定した．測加圧 50 %

45

定には，JIS K 6253-1997，“加硫ゴム及び熱可塑性ゴムの加圧 75 %

57

硬さ試験方法” の規格を参照し，タイプ A のデュロメー

加圧 100 %67

タを 5 回押し込んだ際の中央値を測定値として記録した．
デュロメータは，試料に測定針を押し込み，針の押し込み減圧された状態になり，シリコンチューブと編組チューブ

深さを硬度として 0 ∼ 90 の値で取得することができる．

の間に隙間ができることで，他の条件と比較して低い測定

また，硬度は相対的な硬さの差を示すものであるため単位値が出たと考えらえる．

を持たず，値が 0 に近いほど軟らかく，90 に近いほど硬い物体であることを示す．

4.2 剛性変化の計測実験

今回は測定にあたり，Transtiﬀ のピストンの押し込み量

本実験では，Transtiﬀ の硬軟変化機構による，剛性の変を変化させた．実験に用いた Transtiﬀ は，定格電圧（6 V）

化の度合いに関して定量的に評価することを目的として，で駆動したモータでピストンを一定以上押し込もうとする

フォースゲージを用いて Transtiﬀ の関節部を曲げるのにと，モータのトルクが流体の加圧に必要な力に及ばず，ピ

必要な力（曲げ剛性）の測定・評価をした．

ストンが停止する挙動を示すため，この状態を「最大まで4.2.1 実験手順

加圧した状態」と定義する．一切加圧してない状態から，関節の曲げ剛性を定量的に測定するため，フォースゲー

最大まで加圧した状態を等間隔で分けるため，モータの回ジを用いた実験環境を作成した．図 6 に実験環境を示す．

転数を揃えてピストンを移動させて，「加圧 0 %」
「加圧 25

デジタルフォースゲージ（最大荷重 20 N，最小分解能 0.01%」
「加圧 50 %」「加圧 75 %」「加圧 100 %」の 5 条件を設N）と，台座に固定した Transtiﬀ の先端を接続し，計測ス

け，各条件での値を測定した．図 5 に測定の様子を示す．

タンドを用いて垂直に降下させたときのフォースゲージの4.1.2 結果・考察

値を，Transtiﬀ を曲げるのにかかった力，即ち曲げ剛性と表 1 に測定結果を示す．結果より，関節部の条件を「加圧して取得する．今回利用する計測スタンドは，ハンドルを0 %」から「加圧 100 %」まで変化させると，硬度は 12 ∼ 67

回すことで上下に移動し，基準点からの移動距離が 0.01の範囲で増加した．一般的に，タイプ A デュロメータにおmm 刻みで分かる．これにより，各条件において，フォー

いて，硬度 10 ∼ 20 は輪ゴム程度の硬さ，硬度 60 ∼ 70 はスゲージを同じ距離移動させたときの曲げ剛性を比較する

タイヤ程度の硬さとされているため [34]，Transtiﬀ では上ことができる．

記の物体の硬度を動的に再現することが可能である．今回

実験の条件は 4.1.1 項と同様に 5 段階でピストンの押しの測定において，「加圧 0 %」
「加圧 25 %」条件間の値の差込み量を変化させた Transtiﬀ に対し，2.5 mm 間隔で 0 mmが，他条件間の差よりも大きかった．これは，「加圧 0 %」から 15.0 mm にかけてフォースゲージを降下させた際の条件では，ピストンが後退することによって関節部内部が値（6 点）を各 5 回取得し，その平均値を測定値として記© 2024 Information Processing Society of Japan45

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図 7

各曲げ距離における測定した曲げ剛性の平均値

実の絵画のように，描きたい内容に応じてペンやブラシなどを使い分けられるような体験を提供する．これにより，
硬いペンの感覚しか感じられない既存のスタイラスに対し，
図 6

剛性測定実験

ブラシのような軟らかい筆記体験を加えることができ，デバイスを持ち換えることなく，多様な画材の触覚体験が可録した．

能となる．また，従来研究の 1 つである “FlexStylus” [14]4.2.2 結果・考察

では，柔軟なスタイタスペンが特定の入力タスクに好意的

図 7 に測定結果を示す．結果より，関節部の条件を「加な影響を与えることを示しており，このことから，スタイ

圧 0 %」から「加圧 100 %」まで変化させるにつれて，曲ラスの硬軟が変化するという当アプリケーションの特徴にげ剛性値が増加した．特に，曲げ距離が 15.0 mm のとき，有用性を見出すことができる．

−4「加圧 0 %」条件では 1.38 ± 2.60 × 10−3

条件では 5.96 ± 5.12 × 10

N，
「加圧 100 %」

図 8 に実装したアプリケーションを示す．Transtiﬀ をペN が得られ，最も軟らかい状

ン（加圧 100 %）とブラシ（加圧 0 %）の 2 状態で切り替

態から最も硬い状態に移行することで，関節部の剛性がえられるように設定してあり，ユーザは GUI 上のボタン

4.33 倍に増加した．

操作によって状態を切り替えることができる．また，モー

本実験では，人間の棒を介した硬軟知覚において，曲げタの駆動を任意で停止するボタンも配置しているため，状るのに必要な力が大きく寄与すると考え，剛性の 1 つであ態を切り替えている最中に停止ボタンを押すことで，好みる曲げ剛性を選択して測定した．しかし，剛性は曲げ剛性の硬さを選択することができる．

以外にも，変形の種類に応じて軸剛性，せん断剛性が挙げられ，これらが人間の知覚に対して与える影響も検証する必要がある．

5.2 実施環境
国際会議の展示発表（ACM SIGGRAPH 2023）におい以上より，Transtiﬀ の硬軟関節は，物性（硬度）のみなて，当アプリケーションのデモンストレーションを実施しらず，外力による変形に対する強度（剛性）も変化するこた [35]．約 200 名の来場者が当アプリを体験し，了承が得とが分かった．人間は，物体を押した際のたわみ具合と反られた参加者に対してはアンケートに回答してもらった．

発力という 2 要素を，硬さ知覚の指標としている [10]．そ

内容として，「Transtiﬀ を使用する際の利点」「Transtiﬀ をして，硬度および剛性の変化は，この 2 要素の変化に大き使用する際の不利点」「どのような状況で Transtiﬀ を使用く寄与する．このことより，Transtiﬀ が硬さの変わる触覚

したいか」「想定されるアプリケーション」の 4 項目に関し

デバイスとしての要件を満たしていることが確認できた．

て，自由回答で質問を行った．

5. 実装したアプリケーションとデモンスト
レーションの実施および評価

5.3 結果5.1 アプリケーションの概要とブラシを使っているように感じた」「デバイスがコンパ

Transtiﬀ を使用する際の利点に関しては，「本当にペンTranstiﬀ の応用の一つとして，ペイントアプリケーショ

クト」といった意見が得られた．不利点に関しては，「硬さンを作成した．このアプリケーションでは，Transtiﬀ の硬が変化する際の時間が長く感じる」「硬さが変化する際の軟を変化させることで実際の画材に近い感覚を再現し，現モータの振動が気になる」といった意見が得られた．使用© 2024 Information Processing Society of Japan46

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2024/2/28のリスクは高いものの，油は空気よりも体積弾性率が高い
点から，加圧による膨張の割合が高く，空気圧よりもエネ
ルギー効率の高い手法とされている．Transtiﬀ は構造上，ピストン駆動による容積変化で圧力を操作して剛性を変化させるため，内部に使用する流体は，気体よりも密度が高い液体が適している．そして，油は水と比較して耐腐食性や潤滑性に優れる．以上の点より，Transtiﬀ の作動流体としてより最適なのは油であることが考えらえる．今後は，液漏れに強くなる処理を Transtiﬀ に施した上で作動流体
図 8

作成したアプリケーション

を水から油に変更することで，より高効率な硬軟変化の実現について検討する必要がある．

したい状況および想定アプリケーションについては重複した回答が多く見られ，「書道/絵画の練習用アプリ」「XR コ

6.3 棒に対する人間の硬軟知覚

ンテンツとしての応用」等が挙げられた．全体を通して，

本稿では，実装した Transtiﬀ の硬度・剛性が増加したこ

回答者の多くは Transtiﬀ によって異なる触覚を感じたととを定量的に示しているが，実際に使用したユーザが，ど回答する人が多く，Transtiﬀ を用いたアプリケーションのの程度硬さの変化を感じられているかの厳密な検証はでき

有用性を確認することができた．

ていない．それに加え，「把持した棒の硬さ変化における人

6. 議論・展望6.1 硬軟の変化速度
現在の Transtiﬀ では，最も軟らかい/硬い状態から最も間の知覚」に関する知見は非常に乏しい．そのため，人間の棒の硬軟知覚に関する定性的な調査が必要だと考える．
どの程度棒の硬さが変われば硬くなった/軟らかくなったと感じるかを明らかにするため，今後は心理実験を実施し，

硬い/軟らかい状態まで変化させる際に，15 秒程度の時間

Transtiﬀ の更なる理想的なデザインパラメータの取得を目を要する．5.3 節で述べたように，アプリケーションを体指す．

験する場面では，この点を気にする体験者が複数見られた．
この問題を解決するために，最適なモータおよび回転速度などを選定する必要がある．

6.4 応用アプリケーション
Transtiﬀ を用いたアプリケーションとして，5 章で作成し現在使用しているモータは，プロトタイプの製作にあたもの以外の応用も考えられる．例として，タブレットのたって予備実験を行った際，30 rpm，50 rpm，100 rpm の

画面上に表示されている物体の触覚を再現する体験が挙げ

3 種類のモータを比較して，水を加圧するのに十分なトルられる．金属のような硬いものに触るときは Transtiﬀ を硬クが出るのに加えて，最も速く駆動する点から 100 rpm の

く，スポンジのような軟らかいものに触るときは Transtiﬀ

ものを選択した．そのため，現在使用しているモータよりを軟らかくすることで，あたかも直接その物体に触れていも高 rpm なモータの検討が必要である．一般に，モータにるかのような感覚をユーザに与え，より直感的な情報提示

よって生成されるトルクと rpm の値（回転速度）はトレーが可能になる．

ドオフであるため，今後はより高 rpm のモータを用いてタブレット以外への応用も多岐に渡る．例として，HMD

複数プロトタイプを実装し，ピストンが問題なく動作するを装着させての VR アプリケーションが考えられる．HMD

モータの中で，最も早く駆動するものを最適なモータとしによる視覚情報と，Transtiﬀ による触覚情報を組み合わせて選択する予定である．これにより，より高速な硬軟変化ることで，クロスモーダル知覚 [36] が発揮され，実際にはを実現できる．

硬い物体に触れているのに，触れている物体自体を軟らかく感じるような体験ができる．これにより，Transtiﬀ を介

6.2 使用する流体
現在の Transtiﬀ では，関節部への加圧に用いる流体としすることで，バーチャル空間内での様々な物体への接触体験が可能になる．

て水を選択している．これは，人工筋肉の作動流体としてまた，ここまで述べたアプリケーションは，いずれも水を選択した先行研究 [24] がある点と，液漏れを起こした

Transtiﬀ の硬軟を変化させた後で物体に触れることを想定

際に他の電子機器に与える影響が少ないためである．しかしていたが，物体に触れながら硬軟を変化させることで，し，一般的なマッキベン型人工筋肉の多くは空気圧 [25] か

応用の範囲を広げることができる．Transtiﬀ を硬い状態か

油圧 [26] を用いるものが多い．空気圧を用いるものは，機ら徐々に軟らかくことによる，物体を押し込んでいる感覚

体が軽量になり，流体漏れを起こしても安全であるというの再現や，硬軟を高速で切り替えることによる凹凸感の提利点がある．一方で，油圧を用いるものは，液漏れした際示など，多くの応用が考えられる．現在の Transtiﬀ は 6.1© 2024 Information Processing Society of Japan47

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節で述べた，硬軟の切り替え速度の課題を要するものの，この点を解決することで，より高度なアプリケーションを

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謝辞 本研究の一部は，JSPS 科研費 JP22K18424 の助成を受けた.

実装することができる．
参考文献

6.5 ペン型以外への応用[1]

本稿では，Transtiﬀ の一形態として，日常的に使用頻度の高いペン型のプロトタイプを実装したが，他の棒状物体[2]に対しても，硬軟関節を挿入して触覚を変化させる機構が応用できる．例えば，箸の先端の硬さを制御することで，掴んでいる食品の大きさ・重さ・硬さを通常とは異なる感[3]覚で提示し，食体験を変化させることができると考えられる．このように，Transtiﬀ の機構を応用することで，既存の棒インタラクションを更に拡張できると考えられる．

7. まとめ[4][5]

本研究では，関節の硬軟を変化させることで，手掌部から感じる感覚を変化させる棒状触覚デバイス Transtiﬀ を提案した．Transtiﬀ は，小型のモータを利用したピストン
機構と，マッキベン型人工筋肉を採用した 2 層のチューブ[6]構造を備えることで，モータの回転方向の変化のみで硬軟を制御する．これにより，デバイスが大型になる・複雑な機構が必要・特殊な素材を用いるといった従来研究の課題に捕らわれない，簡素な構造かつ小型の把持型触覚デバイスを実現した．

[7]

そして，実装したプロトタイプを用いて，硬度変化・剛性変化の計測実験を実施し，Transtiﬀ の硬軟変化を定量的に評価した．その結果，硬度計測実験では，Transtiﬀ の関
節部の硬度が一般的な輪ゴムからタイヤ程度の範囲で変化することが分かった．剛性計測実験では，関節部を 15 mm[8]

曲げるのに必要な剛性が，最大 4.33 倍に増加することが分
かった．

[9]

また，作成したペイントアプリケーションを，展示発表
で体験してもらった結果，Transtiﬀ が実際のペンやブラシのような，異なる画材を使用する際の触覚を提供するとの意見が多数得られ，本デバイスの有用性が確認できた．
直近の課題としては，最適なモータの選択による硬軟変[10]化速度の改善，作動流体を油に変更することによるピストン駆動の効率化が挙げられる．上記を解決することで，[11]Transtiﬀ で対象に触れている間にもスムーズな硬軟変化が可能になり，アプリケーションの幅を大きく広げることができる．今後は，Transtiﬀ による，高度なペンインタラ
クションを備えたアプリケーションや，VR を用いてバー[12]

チャルオブジェクトのリアルな接触感を提供するアプリ
ケーションの実装を目指す．また，棒の硬軟知覚に関する心理実験を実施することで，人間の硬さ感覚に関する知見を獲得し，Transtiﬀ の理想的なデザインパラメータを取得
する．

© 2024 Information Processing Society of Japan[13]

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