情報処理学会研究報告
IPSJ SIG Technical Report

飲料体験を拡張する充電不要な蓋型嗅覚インターフェースの実現に向けた基礎検討
真弓 大輝1,a)

中村 優吾2,b)

松田 裕貴1

三崎 慎也1

安本 慶一1

概要：エネルギーハーベスティング技術を活用したデバイスは，持続可能な IoT の未来に向けて大きな可能性を秘めている．最近では，日常生活で利用可能な様々な嗅覚インターフェースが開発されており，これらは私たちの生活に新たな次元をもたらす．我々の研究グループでは，飲料の甘さを香りで増幅させることで糖分摂取量を低減させる「Kaolid」という蓋型嗅覚インターフェースを開発した．このインターフェースは，口中香によって香り情報を提示し，味の満足度や甘さを大幅に増幅させる機能を持っている．
しかし，これまでの「Kaolid」はバッテリーを電力源として使用しており，日常的な使用には定期的な充電が必要であった．そこで，本論文ではエネルギーハーベスティング技術を応用した充電不要な嗅覚インターフェースを提案する．この新しい設計では，デバイスを利用しない時間に太陽光を活用して必要な電力を蓄えることができる．これにより，システムの利便性が拡張され，日常的な使用がより容易になる．
本研究では，異なるコンテキストで利用可能な充電不要な嗅覚インターフェースの開発において重要な一歩を踏み出すものである．

屋外

1. はじめに

貯蓄電力量HCI（Human-Computer Interaction）の分野は，近年顕著な発展を遂げており，日常生活のさまざまな側面に深く組み込まれ，直感的なユーザ体験を提供するようになって飲料摂取タイミングいる．特に，食体験を情報技術で拡張することを目的とし時間た HFI（Human Food Interaction）が国際的な関心を集めている [1], [2], [3]．

光量

図 1

ソーラーパネルで充電する嗅覚インターフェース

これまでに人間の五感に働きかけ，食体験を変化またはが提案されている [12], [13], [14], [15], [16]．これらのデバ増強させる多感覚体験アプローチに関する多くの研究がイスは小型のソーラーパネルを使用してバッテリーフリー

提案されてきた [4], [5], [6], [7], [8]．これらの研究は主にを実現し，日常的な使用に適したデザインを提供している．

視覚，聴覚，触覚，味覚を対象としており，嗅覚インター

しかし，嗅覚デバイスに対するエネルギーハーベスティン

フェースの開発は，その複雑な構造とデバイス設計の難しグ技術の応用に関する研究はまだ進んでいない．

さにより進展が遅れていた．しかし，技術の進歩により，我々の研究グループでは，私たちの食生活において主日常生活で利用できる嗅覚インターフェースの開発が進ん

要な糖分摂取源となっている糖分入り飲料の摂取量増加

でいる [9], [10], [11]．これらのデバイスは日常的に使いやを解決するために，香りで味の甘さを増幅させることにすいデザインであるものの，電力供給にバッテリーや直接より飲料からの糖分摂取量を低減することを目的として，電源を使用しており，日常生活においてはバッテリー充電「Kaolid」という蓋型嗅覚インターフェースの開発に取りの必要性がユーザにとって不便となっている．

組んできた [17]．従来の「Kaolid」はバッテリーを電力源最近になって様々なバッテリーレスなインターフェースとして使用しており，日常的な使用には定期的な充電が必要であった．しかし，この充電の必要性はユーザにとって

12a)b)

奈良先端科学技術大学院大学
Nara Institute of Science and Technology
九州大学
Kyushu University
mayumi.daiki.mb9@is.naist.jp
y-nakamura@ait.kyushu-u.ac.jp

c 1959 Information Processing Society of Japan⃝

不便をもたらし，デバイスの持続的な使用を妨げる可能性がある．この問題を解決するため，我々は Kaolid の電源としてソーラーパネルを採用し，エネルギーハーベスティング化を検討する．ソーラーパネルを採用することで，日1情報処理学会研究報告
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常生活での利便性が向上し，環境に配慮した持続可能なソも提案されている．Wang らの研究 [11] では，ピアス型，リューションの提供を可能にする．さらに太陽光からのエネックレス型，顔に装着するオンフェイス型の嗅覚デバイ

ネルギーを効果的に活用するために，デスクワーカーが外スが提案されている．提案システムは日常生活で容易に使に移動することを促すことで，糖分摂取量低減と健康のた用できる設計であり，社会的受容性，快適性および香りのめの運動促進にも貢献する．

強度に関する評価が行われている．Amores らの研究 [9]本論文では，従来の蓋型嗅覚インターフェース「Kaolid」

では，スマートフォンから遠隔操作可能で，生体情報や文に新たな機能を追加し，日中の連続使用に対応できる充電

脈情報に基づいて香りの強度や頻度を調整できるネック不要な嗅覚インターフェースを提案する．本システムはレス型嗅覚デバイスを提案している．Dobbelstein らの研

ソーラーパネルを用いた電力供給により，日常生活での持究 [10] では，個人の香り通知を受け取ることができるウェ

続可能な利用を目指す．環境への影響を最小限に抑えつ

アラブル嗅覚デバイスが開発されている．

つ，飲料体験を拡張することを目標とする．また実際の生人間の味覚において，香りが重要な役割を果たしている

活環境での使用を想定したシミュレーション実験の結果をことが知られており [24], [25], [26]，香りを制御すること通じて，エネルギーハーベスティング設計の利便性と効率で味覚を変化させることが可能である．Ranasinghe らの性を実証する．

研究 [5], [27] では，AR や VR 空間での飲料体験を拡張す

2. 関連研究2.1 食事体験を拡張させるインターフェースることを目的として，電気刺激や香り，視覚効果を実現するデバイスが開発されており，異なる感覚相互作用による味覚の拡張が試みられている．しかし，甘味増幅に関し

HCI の分野では食体験を情報技術で拡張する HFI (Hu-てはまだ課題が残されており，香りの提示方法も日常使

man Food Interaction) [1], [2], [3] という分野が注目され用には適していない．我々の研究グループは，香りを用いており，情報技術を用いて食事体験を拡張する研究が様々て甘さを増幅させるマグカップ型の嗅覚インターフェー行われている．

ス [6], [28], [29] を提案し，被験者 33 名に対して実証実験

塩分摂取量を制限しながら，食品の味を改善するためのを行い，香りによって知覚される味の甘さが増幅されるこ

有効な手段として，口腔内外からの電気味覚刺激（GTS）とを確認したが，味の満足度には向上が見られなかった．

を使用して塩味を増強する方法 [4], [18] が提案されている．
また Ranasinghe らの研究 [5] では，舌の味覚受容神経系を2.3 エネルギーハーベスティング技術を用いたシステム

電気で刺激することで異なる味を誘発する技術が開発され持続可能な IoT の未来に向けたデバイス設計において，ており，食品の味を多様化し，食品アレルギーや健康上のエネルギーハーベスティング技術を活用したシステムが提制約がある人にとって新たな食体験を提供する可能性があ案されている．Jasper de Winkel ら [12] は，バッテリーをる．さらに嗅覚に香りを提示して飲料の味を変化させる研使用せずに持ち運びが可能なゲームデバイス「ENGAGE」

究が行われている [6], [17]．この手法により，飲料の味わを提案した．このデバイスは，ユーザのボタン操作と太陽いを豊かにし，感覚的な味の満足感や甘さを高める効果が光エネルギーを収集し，任天堂ゲームボーイエミュレータ期待される．既存の HCI の研究では，視覚的な要素に焦点を動作させることができる．ENGAGE は，断続的な電源が当てられたアプローチも取られ，食べ物の外観や見た目供給にも対応する新しいメモリ保存方式を採用し，バッテを操作する方法が提案されている．例えば，食事の量を視リーフリーのゲームプラットフォームとして実際のゲーム覚的に変化させることで満腹感をコントロールするシステ

ボーイゲームの連続的なプレイを可能にしている．

ム [7], [19] や，食品に映像を投影して食環境を変化させる

またバッテリーを使用しない携帯電話も提案されていプロジェクションマッピング [20], [21] が提案されている．

る [13]．この携帯電話は，RF 信号や光ダイオードから得これらの技術は，食事体験を拡張させるとともに，食行動られる低電力エネルギーのみで動作し、バッテリーなしの改善に寄与する可能性がある．

で Skype 通話が可能であることが実証されている．他にこれらの HFI の分野では，食事体験を豊かにし，食文化も持続可能なコンピューティングのためのバッテリーレスや健康に対する新たな視点を提供し，将来的に食に関するプログラミング環境 [14], [15] やバッテリーフリーで太陽習慣や嗜好の変化に大きく貢献することが期待される．

光からエネルギーを貯蓄する小型無人航空機（UAV）の開発 [16], [30] など，バッテリーレスでの運用が可能なシス

2.2 嗅覚インターフェース

テムの研究が進んでいる．

近年，様々な種類の嗅覚デバイスとそれを用いたイン

このようにエネルギーハーベスティング技術を用いたシタラクションが提案されている．例えば，ウェアラブル

ステム開発は多様化し，持続可能な IoT アプリケーション

デバイスで香りを提示するヘッドマウント・ディスプレの開発に重要な貢献をしている．

イ [22], [23] や首からかけるウェアラブルデバイス [9], [10]c 1959 Information Processing Society of Japan⃝

2情報処理学会研究報告
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4.1 検証実験概要

空気圧ポンプバッテリー

太陽光パネルコンバータ

タイマー

本実験では，提案インターフェースに組み込まれた太陽光パネルを用いて，1 日の利用において充電の必要性を排除することができるかを検証した．実験は晴天の日に行われ，最高気温 11 ℃，最低気温-3 ℃の条件下で実施した．実験では，オフィスワーカーがオフィス内と屋外のカフェを駆動回路

図 2

太陽光チャージャー

提案インターフェースの回路図

行き来するシナリオを想定した．具体的には，9 時から 1時間のオフィスでの作業の後，30 分間外のカフェに移動して作業を行い，その後再びオフィスに戻るという流れを午後 18 時まで繰り返した．この過程で，本インターフェー

3. 充電不要な蓋型嗅覚インターフェースのシステム設計

スが外部の太陽光を利用して充電されるかを検証した．
また，本インターフェースはユーザが定期的に屋外に出ることを促す設計となっており，これによりオフィスワー

我々の研究グループは，糖分摂取量低減を目的として，香りを用いて飲料の味の甘さを増幅させる蓋型嗅覚インターフェースを開発してきた [17]．しかし，これまでに提案しカーの運動促進が期待される．太陽光を利用することでエネルギーを得るデザインは，ユーザの健康と環境の持続可能性の両方に寄与するものである．

たインターフェースはバッテリーを利用しており，ユーザは定期的に充電をする必要があった．本章では，エネル
ギーハーベスティング技術を活用し，充電不要な嗅覚インターフェースのシステム設計を示す．
図 2 に示されているシステムの回路図は，提案した充電不要な嗅覚インターフェースの全体像を表している．シ
ステム設計では，充電レスを実現するために，太陽光パネ
ル *1 を組み込み，得られる電力をソーラーチャージャーで管理し，バッテリーを充電する．ソーラーチャージャーからの出力電圧 3.7V を昇圧チョッパを使用して 5V に増幅し，空気圧ポンプの駆動回路に必要な電圧を提供する．
またタイマー制御を通じて，空気圧ポンプが動作し，適切なタイミングで香りを噴射する機能を実現した．通電時には，太陽光パネルによってバッテリーに蓄えられた電力を使用し，空気圧ポンプの駆動回路を通じて空気圧ポンプが作動し，香りが噴射される．
この充電不要なシステムにより，継続的な使用が可能となり，飲料の味覚体験を向上させるとともに，日常生活における持続可能な食習慣への応用が期待される．

4. 充電不要な嗅覚インターフェースを 1 日使う検証実験「Kaolid」という嗅覚インターフェースを用いて充電不要な嗅覚インターフェースを 1 日間使用するシミュレーション実験について報告する．この実験は，デバイスのエネルギー効率と日常生活への適応性を検証するために行われた．シミュレーション実験では，デバイスが太陽光エネ

4.2 検証実験結果
はじめに 1 日利用する場合の消費電力量を計算する．本
研究におけるデバイスの日常的な使用状況を想定し，1 日あたりの消費電力量を算出する．一般的に 8 オンスの水を8 回飲むことが理想的であると言われてきたが，これには科学的根拠はないと結論づけられている [31]．水分摂取量
は，個々の活動レベルや年齢，発汗の程度によって異なるが，本シミュレーションでは，オフィスワーカーの 1 日当たりに摂取する飲料量は 1.2L とし，これを 8 回に分けて摂取することとする．したがって，本インターフェースを用いた場合，1 回あたりの飲料摂取量は約 150mL となる．
また本インターフェースにおける 150mL の飲料摂取時の噴射時間は約 25 秒間であり，これを 1 日に 7〜8 回実施すると仮定すると，1 日当たりの総噴射時間は約 200 秒となる．本インターフェースの駆動に要する入力電圧は 3.7V，電流は 115.6mA である．このため，1 回の使用時の消費電力量 [Ws] は次のように計算される．
消費電力量 [Ws] = 電圧 [V] × 電流 [A] × 噴射時間 [s]= 3.7 [V ] × (115.6 × (1/1000))[A] × 25 [s]≒ 10.693 [W s](1)

また本インターフェースを 1 日利用する場合の消費電力量は，以下の式で求められる．
消費電力量 [Ws] = 3.7 [V ] × (115.6 × (1/1000))[A] × 200 [s]≒ 85.544 [W s](2)

この計算により，1 日当たりの総消費電力量が求められ，ルギーのみで 1 日間の使用をサポートできるかどうかを評それを太陽光パネルによる発電量と比較することで，デバ価した．本実験を通じて，Kaolid が味覚の知覚を変化させ，イスの持続可能性を評価することができる．

持続可能なエネルギー利用を実現するかを明らかにする．
*1

https://www.digikey.jp/ja/products/detail/panasoni
c-bsg/AM-1816CA-DGK-E/2165190

c 1959 Information Processing Society of Japan⃝

図 3 に本インターフェースを 1 日利用する場合の電力消費量と発電量のシミュレーション実験の結果を示す．赤線
は飲料摂取時のバッテリーへの電力貯蓄量，黒線は飲料摂

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200

17500

175

15000

150
12500

[Ws]

[lx]

125
10000

100
7500
75
5000

50

2500

25
9:00
9:15
9:30
9:45
10:00
10:15
10:30
10:45
11:00
11:15
11:30
11:45
12:00
12:15
12:3012:45
13:00
13:15
13:30
13:45
14:00
14:15
14:30
14:45
15:00
15:15
15:30
15:45
16:00
16:15
16:30
16:45
17:00
17:15
17:30
17:45
18:00

0

図 30

シミュレーション実験の結果取を行わない状態でのバッテリーに充電される電力量をそつ国々での使用と比べてどのように変わるかについて，実れぞれ示している．青線は日中の光量を表している．

際のデータに基づく分析が必要となる．

青線のデータによれば，日中の光量は比較的高いが，16本実験では，オフィスワーカーを想定したシミュレー時以降はピーク時の半分程度に減少し，17 時以降はほぼ検ションを実施したが，屋内環境では十分な電力を貯蓄する出されない．これに対し，黒線からは日中の屋外での太陽ことが困難であることが判明した．しかし，窓際など光量光パネルによる電力貯蓄が可能であったことが読み取れる．の高い場所での使用に関しては，別途のシミュレーション

結果として，1 日を通じて約 156Ws の電力が貯蓄され，こが必要である．屋外の日照条件だけでなく，屋内の照明条れはデバイスの 1 日の使用に必要な電力量（85.544Ws）を件下での太陽光パネルの性能を詳細に分析し，様々な光源カバーすることが可能であることを示している．の強度とその発電効率を比較することが求められる．さら赤線のシミュレーション結果によると，15 分間の屋外でに，デバイスの屋内での使用を前提とした場合，窓際などの充電により，デバイスの 1 回分の電力を貯めることがでの光が豊富な場所での充電効率を高めるための実験設計もき，1 日を通じて利用可能であることが確認された．しか必要となる．

し，屋内での利用ではデバイスに必要な電力を充電することは困難であるため，屋外での充電が必須となる．

5.2 インターフェースの改良

これら結果より，本デバイスを利用するためには屋外へ

また本インターフェースに用いた太陽光パネルは，屋内の移動が必要であり，結果的にオフィスワーカーに運動を光でも発電可能であるが，その発電できる電力量は光の種促進させる効果が期待できる．このデバイスは，運動不足類や強度によって異なる．一般的に，屋内光の強度は自然を解消し，行動変容を促す効果的なツールであると言える．

光よりも低いため，屋外での発電量に比べて屋内での発電

5. 考察と限界
5.1 実験環境量は低い．特に，本実験で使用された蛍光灯の場合，直射日光や強い人工光に比べて生成される電力量は少なかった可能性が高い．つまり，現在の太陽光パネルでは屋外での本インターフェースを用いたシミュレーション実験の結使用が想定されているため，屋内照明に適した太陽光パネ

果，デバイスの 1 日当たりの総電力需給を充足できること

ルの開発や既存のパネルを改良することが求められる．こが確認された．しかし，これらの結果に関する考察として，れは，屋内での発電量を最大化するためのパネルの感度やはじめに実験の環境依存性について深く掘り下げる必要が発電効率の向上が見込まれる．同様に，エネルギー消費をある．実験は，日本の 1 月に行われ，晴天下での最高気温最小限に抑えることを目的とした嗅覚デバイスの回路設計

は 11 ℃，最低気温は-3 ℃であった．したがって，曇天やへの改良も重要となる．これには，消費電力の最適化だけ降雨時の日光量の低下が，異なる結果をもたらすことが予でなく，デバイスの機能を維持しつつも省エネルギーを実想される．図 3 に示されるように，日本の冬季は日照時間現するための新しい設計原理が必要となる．

が短く，特に 16 時以降は光量が少ないため，太陽光による今後，屋内外での使用に対するデバイスの適応性を高め電力貯蔵量は限られていた．これに対し，日照時間が長いるために，どのような改良が可能かを探る必要がある．最環境（例えば日本の夏季や降水量の少ない国々）では，本終的には，これらの分析を通じて，エネルギーハーベス実験よりも多量の電力を貯蔵できる可能性がある．今後のティング技術を用いた持続可能なシステムの設計に対する研究では，本インターフェースの普遍性を検証するため，理解を深め，実際の使用環境での効率的な運用を実現する

日本の冬の気候条件下での結果が，夏季や異なる気候を持ことが目標となる．

c 1959 Information Processing Society of Japan⃝4

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6. 終わりに[6]

本研究では，糖分摂取量低減を補助する蓋型嗅覚インターフェース「Kaolid」にエネルギーハーベスティング技術を活用した充電不要なインターフェースへの基礎検討を行った．エネルギーハーベスティング技術を活用し，充電不要な環境適応型デバイスを設計した．太陽光パネルを活用したシミュレーション実験により，デバイスが 1 日[7]の使用に必要な電力量を自給自足可能であることが確認された．今後は異なる実験環境下でのシミュレーションを行い，本インターフェースの汎用性および実用性をさらに検証する予定である．さらに，本実験はオフィスワーカーを想定したシミュレーションを行い，デバイス利用がユー[8]

ザの運動促進に寄与し，座位習慣に変化をもたらす可能性が示された．つまり，行動変容の面から見ても本提案インターフェースは重要な意義を持つと考えられる．
本研究は，持続可能な IoT デバイスおよび嗅覚インターフェースの発展に貢献し，オフィスワーカーの健康促進と[9]いう観点からも重要な提案である．
謝辞
本研究は，JST さきがけ（JPMJPR21P7）の助成によっ[10]て行われた．
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