特集1983

JVRSJ Vol.13 No.2 June, 2008

アクチュエータ・テクノロジー

特集 ■アクチュエータ・テクノロジー〜ヒトとの親和性を目指して〜

高分子アクチュエータの基礎と応用〜 ICPF アクチュエータを用いた触覚ディスプレイ〜

昆陽雅司

東北大学

KONYO MASASHI

2．ICPF アクチュエータとは

1．はじめに「体感する」という言葉が示すように，触覚は対象物導電性高分子ゲル (ICPF または IPMC) アクチュエーの存在感・現実感を確かめる上で重要な感覚である．もタは，フッ素系のイオン導電性高分子ゲル膜の 1 種であのに触れた際の皮膚感覚を呈示する触覚ディスプレイ

るパーフルオロスルフォン酸膜 ( 厚さ約 180 μm) の両面

は，近年，国内外で多数の研究が行われている [1]．このに，金や白金などの金属メッキ層を接合することによっ触覚ディスプレイのキー技術であり，かつ最大のボトて得られるフィルム状のアクチュエータである [5]．図 1

ルネックはアクチュエータである．なぜなら，触覚ディのように，膜の両面に電圧を印加すると内部のイオンのスプレイでは，触覚の大面積かつ高密度をカバーする空移動によって屈曲運動を行う。発生力は，2×10 mm の間解像度，数 Hz から数百 Hz 以上のワイドレンジの時カンチレバー形状の先端で 0.6 mN 程度である．

間応答性を満たし，かつ小型軽量で多自由度をもつア

このアクチュエータの最大の特徴は，高応答性と低電クチュエータが求められているからである．このため圧駆動である．従来の高分子アクチュエータに比べ，応ニューアクチュエータ分野の研究者が触覚ディスプレイ

答速度は 100 Hz 以上と高速である．また，ICPF の駆動に参入するケースが多いようである ( 筆者もその一人で電圧は 1.5 〜 3.0 V 程度である．これは，同じく実用的あった )．また，
触覚ディスプレイはヒトの柔軟な皮膚をなポリマーアクチュエータとして知られる誘電型エラス直接刺激するという点で，生体との親和性が求められる．

トマー型アクチュエータの駆動電圧が数百〜数千 V でこの点で特にアドバンテージがあるのが，導電性高分あるのと比較して最大のアドバンテージとなる．さら子ゲル (ICPF) アクチュエータや誘電型エラストマーアに，高分子ゲル膜は，柔軟性 ( ヤング率：2.2 ×10 Pa 程

クチュエータ [2] などの Electroactive Polymer(EAP) であ度 ) を有し，ハサミやカッターなどで任意の形状に切りる．EAP に関する解説は文献 [3][4] に詳しい．本解説で出すことが可能であるため成形が容易である．ただし，は，ICPF アクチュエータを用いた触覚ディスプレイのICPF アクチュエータは水中や湿潤状態で駆動するとい研究について紹介する．

う問題がある．これに対して近年，イオンゲルを用いた

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空気中で動作可能な導電性高分子ゲルアクチュエータの開発も進められている [6]．
��3．ICPF アクチュエータの触覚ディスプレイへの適用�����

触覚ディスプレイに求められる性能と，ICPF アクチュエータの適合性について以下に述べる．

�����������������

(1) 高空間解像度：指先の触覚の解像度は 1 ~ 2 mm であり，触覚ディスプレイではそれに応じた高密度の分布刺図1

激が必要となる．ICPF アクチュエータは成形が容易でICPF アクチュエータの動作

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日本バーチャルリアリティ学会誌第 13 巻 2 号 2008 年 6 月特集あり，配電などの機構が単純であることから高密度化が皮膚可能である．

アクチュエータ・テクノロジー

法線応力
接線応力

(2) 高応答性：触覚受容器は複数の周波数応答帯域をもち，それらが連携することで静的〜数百 Hz のワイドレ����アクチュエータ

ンジの皮膚変形を検出することが可能である [7]．ICPF
アクチュエータは数 Hz から 250 Hz 程度まで知覚可能

屈曲運動な振動刺激を生成することが可能である．
(3) 多方向の刺激：触覚受容器は皮膚を変形させる方向

図2

刺激方法

によっても異なる感度を有することが知られている．例
えばマイスナー小体は皮膚の接線方向の変形に感度がよいとされている [8]．ICPF アクチュエータは薄膜で，電ディスプレイの外見と構造を示す．能動型ディスプレイ

極さえ配置できれば自由なレイアウトが可能である．こは，繊毛部は長さ 3 mm，幅 2 mm の ICPF アクチュエーのことを利用して，図 2 のように ICPF を傾斜させて皮タが横に 1 mm 間隔で 5 本，縦に 1.5 mm 間隔で 12 列並

膚に接触させることにより，皮膚に対して法線方向だけぶ構造となっている。繊毛は全て 45 度傾けて配置してでなく，接線方向にも変形を与えることが可能になる．

ある。これは，指腹部表面に対して，法線方向と接線方向の刺激を効率良く与えるためである．配線はフレキシ(4) ウェアラビリティ：ヒトの触覚受容では，触察運動ブル基板を用いて行う．配線部まで含めた質量は約 8gを介した能動的な知覚過程が触覚の質的意味を決定すると非常に軽量である．

上で重要となる．触覚ディスプレイでは，被呈示者が自これらのデバイスを用いた触覚の呈示法について述べ

由に触察運動をおこない，それに応じた触刺激を生成する．触覚は，触対象の剛性，粘弾性，摩擦，表面形状なることが必要である．従来の触覚ディスプレイでは，アど多種の物理的要因によって引き起こされる多様な感覚クチュエータ等の機構の大きさや重量の制約ために，デである．しかし，これらの多様な入力情報は，皮膚の変バイスを手指に装着して自由に触察運動をおこなうこと形を介して，数種類の機械受容器で受容され，中枢で複が困難であった．ICPF アクチュエータを利用した触覚数の受容器からの複合感覚として知覚される．仮に，そディスプレイは 4 節で述べるように，小型軽量であるこれら数種類の機械受容器を選択的に刺激し，その神経活とを利用して指先に装着することが可能である ( 図 3)．

動を直接制御することができれば，任意の触感を合成することができると考えらえる．筆者らは触覚受容器の時(5) 安全性：ICPF は柔軟であるため，皮膚に過度な障害間周波数応答特性に着目して，機械振動刺激の周波数領を与えることがなく，特別な制御や機構によ るリミッ

域の違いにより，触覚受容器の SA I，FA I，FA II を選択ターなどを設ける必要がない．また，駆動電圧が 3 V 程的に刺激する手法を提案している [9][11]．

度と低く，皮膚に直接接触しても安全である．

受動型触感ディスプレイを用いた触感呈示実験の結果，FA I に主に応答する数 10 Hz の振動成分と FA II が以上のように，ICPF アクチュエータは触覚ディスプレ主に応答する 200 Hz の振動成分を合成して呈示するこイを実現する上で，生体との親和性の高いアクチュエーとで，タオルやデニムの手触りのような複雑な触感が生タであるといえる．次節より，ICPF アクチュエータを利成することが確認された [9]．

用した触覚ディスプレイの研究について紹介する．

また，能動型触感ディスプレイを用いた触感呈示手法
として，静的な圧覚を生成する 5 Hz の低周波振動による SA I 刺激と，触察運動の速度と対象面の凹凸の波長4．布のような手触りを呈示する触感ディスプレイ
多数の ICPF アクチュエータをアレイ状に配置した振に応じて周波数を変化させる FA I 刺激，摩擦感を生成動子を用いて，手指を固定したまま呈示する受動型触感するために触察運動の加速度に応じて 200 Hz の高周波ディスプレイ [9] および指先装着可能とした能動型触感

振動で刺激する FA II 刺激，と組み合わせて複合的な触ディスプレイ [10] を開発した . 図 4，図 5 に能動型触感感を呈示する手法を提案した．これにより，触運動に応

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特集

JVRSJ Vol.13 No.2 June, 2008

アクチュエータ・テクノロジー

図3装着型触覚ディスプレイ

図521853 次元の触覚ディスプレイ
＊口絵にカラー版掲載

フレキシブル基板

mm
1417
mm

22 mm
15 mm

ICPF
アクチュエータ

接触面の振動分布

Au-Nafion 型ICPF アクチュエータ
1 mm 2 mm

内周部（５Hz）
4 mm
25 mm

シリコンゴム

図4ICPFICPF
actuators
アクチュエータ

3 mm

図6

装着型触覚ディスプレイの構造

外周部（３０Hz）（＝ 局所滑り覚呈示）

局所滑り覚呈示による把持力調整反射の誘発

じた 4 種類の布素材の手触りの合成に成功している [11].

本研究では，ICPF アクチュエータを用いた振動刺激に最後に，装着型触感ディスプレイの応用として，3 次より，接触面外周に起こる局所滑り時の触覚受容器活動

元オブジェクトの手触りを呈示するアプリケーションを陽に作り出し，実際に把持力調整反射が起こるという[12] を紹介する．タオルやボアなどのテクスチャ感呈示証拠を初めて得た．に加えて，低周波振動を用いた圧覚呈示を利用して，凹具体的には，図 6 に示すように，ICPF アクチュエー

凸感を呈示することで，3 次元オブジェクトの形状を表タを用いて高密度の分布を実現し，接触面内の中央部と現する．図 5 に CG のぬいぐるみに触れるアプリケーショ

外周部に 2 種類の振動刺激を加えることで，振動周波数ンの例を示す．被験者はぬいぐるみの凹凸形状とそれをと分布パターンの影響を評価した．この結果，外周部に撫でた際のテクスチャ感を感じることが可能である．

30 Hz の振動を加えることで，ヒトの把持力が無意識のうちに 50% 程度増大されることを確認した．この結果

5．局所滑り覚呈示による把持力調整反射の誘発により，30Hz の振動刺激に最も感度が高い触覚受容器

ICPF アクチュエータを用いた他の触覚ディスプレイであるマイスナー小体の関与が示唆された．また，接触の研究例として，局所滑り覚呈示による把持力調整反射

面全面ではなく，外周部のみに振動を加えたときに把持の誘発 [13] について紹介する．

力増加が見られることも確認された．

ヒトは質量と摩擦係数が未知の状態であっても触覚受

このようなヒトの把持力調整反射を自在に操つる手法

容器からの情報に基づいて適切な力を把持できることがの確立により，マスタ・スレーブなどの遠隔操作におい知られており，このメカニズムは，接触面外周に起こるて，操作者により直感的な滑り情報の呈示ができると期局所滑りの検出に基づくという仮説が提案されている．

待される．

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日本バーチャルリアリティ学会誌第 13 巻 2 号 2008 年 6 月

特集アクチュエータ・テクノロジー

Vo.63, No.607, C 編 , pp. 881-888 (1997)

6．まとめ
ICPF アクチュエータを用いた触覚ディスプレイの研[9] 昆陽雅司，田所諭，高森年，小黒啓介，徳田献一：究について紹介した．ICPF は高速応答性，小型軽量性，高分子ゲルアクチュエータを用いた布の手触り感覚を安全性などの点で優れた特徴を有する．筆者は現在，超呈示する触感ディスプレイ，日本バーチャルリアリティ

音波振動子を用いた新しい触覚ディスプレイの開発を進

学会論文誌，Vol. 6, No. 4, pp. 323-328 (2001)

めているが，他のアクチュエータに手を出して初めてソ[10] M. Konyo, K. Akazawa, S. Tadokoro, T. Takamori,

フトアクチュエータの触覚ディスプレイとの相性の良さ

Wearable Haptic Interface Using ICPF Actuators for Tactileを実感した．今後も，生体との親和性が触覚ディスプレ

Feel Display in Response to Hand Movements, J. of Robotics

イを開発する上で重要な課題になるであろう．

and Mechatronics, Vol. 15, No. 2, pp. 219-226 (2003)[11] M. Konyo, A. Yoshida, S. Tadokoro, N. Saiwaki, A

参考文献

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Kheddar, Tactile interfaces: a state-of-the-art survey, Proc.

Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS2005),

35th International Symposium on Robotics (ISR 2004), pp.

pp.1121-1127 (2005)

721-726 (2004)[12] 昆陽雅司，吉田晃典，田所諭：高分子ゲルアクチュ[2] IM. Koo, et al. Development of Soft Actuator Based

エータを用いた皮膚表面刺激による 3 次元オブジェク

Wearable Tactile Display, IEEE Trans. Robotics (2007)

トの手触りの呈示，第 11 回ロボティクスシンポジア[3] Electroactive Polymer (EAP) Actuators as Artificial

講演論文集，pp. 301-307, 2006.

Muscles, Reality, Potential, and Challenges, 2nd Issue, Ed.

[13] 昆陽雅司，中本雅崇，前野隆司，田所諭：ICPF アYoseph Bar-Cohen, SPIE (2004)

クチュエータを用いたヒト指腹部への分布振動刺激[4] Electroactive Polymers for Robotic Application, Artificialに基づく把持力調整反射の誘発，日本バーチャルリア

Muscles and Sensors, Ed. K. J. Kim and S. Tadokoro,

リティ学会論文誌 11 巻 1 号，pp. 3-10 (2006)

Springer-Verlag Press (2007)[5] 安積欣志：高分子アクチュエータ，日本ロボット学【略歴】

会誌 Vol. 21 No. 7, pp.708712 (2003)

昆陽雅司（KONYO Masashi）[6] T. Honda, H. Kokubo, M. Watanabe, Materials for Polymer-

東北大学

大学院情報科学研究科

助教

Ion-Gel-Actuator Containing Ionic Liquid, Proc. of 1st1999 年神戸大学工学部情報知能工学科卒業．2004 年神Intl. Symposium on Next-Generation Actuators Leading

戸大学院自然科学研究科システム機能科学専攻博士課程

Breakthroughs, MEXT Grant-in-Aid for Scientific Research

修了．2004 年慶應義塾大学大学院理工学研究科 COE 助

on Priority Areas, No.438, pp.135-138 (2006)

手．2005 年東北大学大学院情報科学研究科助手，2007[7] 前野隆司：ヒト指腹部と触覚受容器の構造と機能，

年同研究科助教，現在に至る．博士 ( 工学 )．触覚ディス

日本ロボット学会誌，Vo.18, No.6, pp.772-775 (2000)

プレイ，触覚センサ，ニューアクチュエータなどの研究[8] 前野隆司，小林一三，山崎信寿：ヒト指腹部構造とに従事．

触覚受容器位置の力学的関係，日本機械学会論文集，22