第 16 回日本バーチャルリアリティ学会大会論文集 (2011 年 9 月)

素材の触知覚を構成する 5 種の材質感次元
Five Psychophysical Dimensions of Tactile Perception of Textures/Materials
岡本 正吾, 永野 光, 山田 陽滋 (名古屋大学)

Shogo OKAMOTO, Hikaru NAGANO, and Yoji YAMADA (Nagoya University)
Abstract : We review studies on the structuring of psychophysical dimensions of the tactile perception of textures and materials. Collectively considering related studies on mechanisms of tactile
perception, we propose that the tactile perception is composed of 5 dimensions including the perception of 1) macro and 2) micro roughness, 3) hardness/softness, 4) coldness/warmth, and 5) friction(stickiness/moistness).
Key Words: multi dimensional scaling, factor analysis, principle component analysis

1.

緒論

た材質感次元は明確な特徴付けは行われていない [3, 15].

人は素材やテクスチャの表面に触れ，それらの材質感をHollins et al. は，紙やプラスチック，ベルベットなど 17得る．この材質感を表現する情報空間の次元構成が，ハプ種類の試料を対象に，ビジュアル・アナログ尺度を用いて試ティクスの研究者らの関心を集め，その構成を特定する試料間の非類似度を取得した．その結果に対し MDS を適用みが多くなされてきた．しかしながら，心理学実験の方法し，材質感次元を構成した．また，SD 法を用いて試料に対や数理的アプローチ，実験に用いられた素材の差違などが原する主観データも計測することで，MDS によって得られた因で，今日まで統一的な次元構成が報告されるに至ってい次元を SD 法で用いた形容詞対によって説明した．多次元空ない．本論文は，可能な限り多くの研究例を調査し，その間は，Smooth/Rough, Hard/Soft, Elastic の 3 次元によっ結果を俯瞰することによって，素材やテクスチャの触知覚て構成された [5]．しかし，その後の研究で，材質感次元はにおける共通の材質感次元を見出す．

Smooth/Rough, Hard/Soft, Sticky/Slippery の 3 次元構

われわれは触における質感を，素材やテクスチャの表面造である可能性を述べた [6]．また，表面の粗さの知覚につに触れることにより得られる素材の性質の知覚と捉える．一

いて，皮膚表面における振動に基づく微細な粗さの知覚と，般に，ものの評価には階層性が認められ，触知覚の質感にお空間分布する情報に基づくマクロな粗さの知覚に分けるこいてもこれは成り立つ．本論文では，Chen et al. [1, 2] にとができると主張した．

習い，触の質感は，材質感 (素材の表面粗さや剛性などの物

Tiest et al. は，木材やガラス，紙，ゴムなど 124 種類

性の知覚: psychophysical layer) および感性的質感 (材質感の試料を対象に，類似度に関するグループ分けを行い，その結合によって表現され，豪華さや上品さなどの感性に関の結果を非類似度に換算した．得られた非類似度に対し，する質感: aﬀective layer) の階層に別けられるとする．感MDS を適用することで材質感次元を構成した [9]．その結性的質感はさらに複数の階層から構成される可能性がある．

果，材質感次元として，4 次元空間が構成された．構成さ本論文は，前者の材質感を取り扱う．

れた次元のうち，第 1，第 2 次元はそれぞれ，Hard/Soft,Smooth/Rough となり，他の 2 つの次元について，明確な2.

触知覚の材質感構成に関する研究例

特徴付けは行われなかった．

触覚的テクスチャの材質感次元を構成した研究例についShirado et al. は，金属や繊維材料，木材など 20 種類て，対象とされた試料や用いられた数理的手法とともに，構の試料に対し，SD 法を用いて参加者の主観データを取得成された材質感次元を Table 1 にまとめる．

し，その結果に対し因子分析を適用し，材質感次元を構成した [16]．その結果，Rough, Cold, Moist, Hard の 4 次元

Yoshida は，銀やアルミニウムなどの金属や，ビニールやの材質感次元を示した．

ナイロン，シルク，リネンなどを含む 25 種類の試料に対して，SD 法を用いて参加者の主観データを取得し，その結果

Yoshioka et al. は，紙やゴム，スエードなど 16 種類のに対し因子分析を行い，材質感次元を構成した．その結果，試料に対し，量的推定法を用いて試料間の非類似度を測定

第 1 次元が Heavy, Cold，第 2 次元が Smooth, Wet，第 3

し，その結果に対し MDS を用いることで材質感次元を構成次元が Hard，第 4 次元が Elastic となった．また，Yoshida

した [12]．構成された材質感次元は，Rough, Hard, Sticky

は，SD 法によって得られた主観データより，試料間の非類によて代表される 3 次元と報告されている．

Lyne et al. は，8 種類のテイッシュペーパを対象に，量似度を計算し，MDS を適用した．MDS の結果より得られ362

表 1: Reference table of studies on perceptual dimensions of tactile textures
AuthorYear

MethodTextureDimens. 1

Dimens. 2

Dimens. 3

Dimens. 4

Yoshida [3]

1968

FA

25 materials

Heavy, Cold

Smooth, Wet

Hard

Elastic

Lyne [4]

1984

MDS

8 tissues

Soft

Rigid

UnevenMod.
VH
VH

Lyne [4]

1984

MDS

8 tissues

Soft

Rigid

ElasticH

Hollins [5]

1993

MDS

17 materials

Smooth/RoughHard/Soft

Elastic

VH

Hollins [6]

2000

MDS

17 materials

Smooth/RoughHard/Soft

Sticky/Slippery

VH

Tamura [7]

2000

FA

15 materials

Hard/SoftHarsh/Smootha

Warm/Cold

Moist

VH

Picard [8]

2003

MDS

24 car seats

Soft/Harsh

Thin/Thick

ReliefHard

Tiest [9]

2006

MDS

124 materials

Hard/Soft

Smooth/RoughNo named

No named

Tanaka [10]

2006

FA

13 fabrics

Moist

Downy, Warm

Kobayashi [11]

2006

FA

25 fabrics

Bulky

Harsh, Hard

Kobayashi [11]

2006

FA

25 fabrics

Bulky

Harsh, Hard

Shirado [16]

2007

FA

20 samples

RoughCold

Moist

Yoshioka [12]

2007

MDS

16 surfaces

Rough

Hard

StickySummers [13]

2008

MDS

10 papers

RoughStiﬀ

Tanno [14]

2010

PCA

12 fabrics

Thin/Thick

Hard/SoftVH
VH
VH

Elastic

H
VH
Hard

VH
VH
H

Clean

Harsh/Smooth

VH

Mod. (Modality) means the types of sensations used in the studies. V, H, and VH are visual, haptic, and visuo-haptic sensations,respectively. FA, PCA and, MDS are the factor analysis, principle componenet analysis, and multi dimentional scaling, respectively.

的推定法を用いて，対象間の非類似度を評価した [4]．実験

1 次元が Hard/Soft や Harsh/Smooth と強い相関があり，では，参加者は視覚と触覚を併用し対象を評価した．その第 2 次元は Warm/Cold などの評価項目に対し強い相関を結果に対し，MDS を適用し材質感次元を構成した．構成さ示した．第 3 次元については，明確な特徴付けはされなかっれた材質感次元は，Soft, Rigid, Uneven によって代表されたが，Moist とやや強い相関が示された．

る 3 次元であった．また，Lyne et al. は，参加者の視覚の小林らは，シルクやリネン，コットンなど 25 種類の繊維影響を排除し，触覚のみによる非類似度も調査した．その素材を対象に，触覚のみ，視覚のみ，触覚・視覚併用の 3 条

結果に対し，MDS を用いて構成された材質感次元は，Soft,件で，SD 法を用いて参加者の主観データを取得し，その結Rigid, Elastic の 3 次元となった．彼らは，Soft と Rigid

果に対し因子分析を適用し材質感次元を構成した [11]．構成は直交する次元ではなく，互いに干渉した次元であることされた材質感次元は，触覚のみの場合，かさ高性 (Bulky)，を指摘している．

平滑性と剛軟性 (Harsh, Hard)，腰 (Elastic) を表す 3 次元

Picard et al. は，24 種類のカーシート用素材に対し，グ構造であり，触覚・視覚併用の場合および視覚のみの場合，ループ分類法を用いて，非類似度を取得し，その結果に対し，かさ高性，平滑/剛軟性の 2 次元構造であった．

MDS を適用し材質感次元を構成した [8]．得られた材質感

丹野らは，綿，ナイロンおよびポリエステルなど 12 種類

次元は，Soft/Harsh, Thin/Thick, Relief (Uneven), Hardの布を対象として，「かたい」，「さらさら」などの風合いの評の 4 種の次元によって構成された．

価に適した 16 単語による評価を行い，その結果に対し主成Tanaka et al. は，木綿やシルク，サテンなど 13 種類の分分析を適用することで，布の風合いを表す材質感次元を布を対象に，SD 法を用いて参加者の主観データを取得し，構成した [14]．得られた次元は， Thin/Thick，Hard/Soft，因子分析によって材質感次元を構成した [10]．材質感次元

Clean/Dirty，Harsh/Smooth によって表される 4 次元での特徴は，第 1 次元が Moist，第 2 次元が Downy, Warmあった．と報告された．

3.

Summers et al. は，紙幣に用いられる木綿製の上質紙

5 種の材質感次元

10 種類を対象に，非類似度を取得し，その結果に対し MDS以上の関連研究において，布，紙，金属などの幅広いカを適用し材質感次元を構成した [13]．提示される三つの試

テゴリのテクスチャを構成する材質感次元として，粗い/滑料の内，二つは同じ素材であり，一つが異なる素材というらかな (Rough/Smooth), 硬い/柔らかい (Hard/Soft), 冷

条件で，参加者は異なると感じた素材を選択した．この際たい/温かい (Cold/Warm) という次元が多く見られるたの正答率から，素材間の非類似度が計算された．実験では，め，これらの次元が安定して抽出される材質感次元である

参加者は視覚を遮断し，触覚のみによって対象を評価した．

考えられる．また，凸凹した (Uneven, Bulky) というマ構成された材質感次元は，第 1 次元が Rough，第 2 次元がクロな粗さを表す次元も報告されている [11, 4, 8]．このStiﬀ であった．

うち 2 例では [11, 8]，ミクロな粗さである粗い/滑らかな

田村らは，アルミやジュラルミンなどの金属やゴム，ひ(Rough/Smooth) と，マクロな粗さ (Uneven, Bulky) が独のきなど 15 種類の試料を対象に，SD 法を用いて参加者の立に抽出されている．そこで，ミクロな粗さである粗い/滑ら主観データを取得した．その結果に対し因子分析を適用し，

かな (Rough/Smooth) と，マクロな粗さ (Uneven, Bulky)

材質感次元を 3 次元で構成した [7]．構成された次元は，第は別々の次元に由来すると捉える．このことは，マクロな粗363

表面の波長が数百マイクロメートルから 1 mm の前後では，知覚メカニズムが異なることが指摘されている．表面粗さお
よび波長の大きな試料の知覚では，メルケル細胞の活動の空間分布が粗さ知覚に支配的に影響することが神経生理学的研究により指摘されている (Macro Roughness) [20, 21, 22]．
また，指と試料表面の相対運動により生じる皮膚振動の時間的情報は，波長の大きなグレーティングスの粗さ知覚への寄与は小さい [23, 24]. 一方で，グレーティングスの表面波長が小さくなるにつれ，この時間的情報の知覚への寄与が大きくなる (Fine Roughness) [25, 26]. この場合，皮膚図 1: Five dimensions of tactile perception for ma-の振動周波数帯域から考えると，高周波帯域に選択的に応terial/texture

答するマイスナー小体およびパチニ小体が，細かな粗さの知覚に関連すると考えられている．

Friction: 摩擦は力の情報であるため，自己受容感覚にさとミクロな粗さで知覚のメカニズムが異なる (Sec. 4. に分類されることもあるが，指腹の皮膚を通して知覚されるて後述) ことから考えても妥当である．

情報でもある．摩擦の知覚メカニズムには不明な点が多い

いくつかの研究例では，湿った/乾いた (Moist/Dry) [7,が，触察時に生じる摩擦振動が素材の表面摩擦の知覚に寄

16, 10], つっぱる/滑る (Sticky/Slippery) [6, 12] という次与するという説 [27, 28] や，指腹のせん断変形の大きさが元が報告されている．Sticky/Slippery および Moist/Dry

摩擦力の知覚に関連する [29] という報告がある．前者の場

は，Chen et al. によると，摩擦の影響が大きいながらも，合，知覚に関与する受容器はマイスナー小体およびパチニ

材質の弾性および表面粗さと共に複合的に決定づけられる小体であると予想される．いずれにせよ，さらなる知覚メとの実験結果を報告している [1, 2]. 加えて，これまでのカニズムの解明には，これからの神経生理学的研究が待た研究では，Sticky/Slippery および Moist/Dry の次元が独れる．

立に抽出されたことがないという事実を重んじると，これWarmness/Coldness: 素材認識における熱伝導特性らが同一の材質感次元に由来すると考えることが良さそうの重要性は古くから， Katz (1925) により指摘されていである．本論文では，これらを総じて，Frictional 次元とた．材質感としての温冷は，テクスチャと皮膚の間の熱伝呼ぶ．摩擦感 (Frictional) と粗さ感 (Rough/Smooth) の違

導 [30, 16, 2] に起因すると言われている．したがって，テいについては，これらの間には相関があると主張する研究

クスチャに触れた際の指腹の温度変化およびその履歴から，者がいる [17, 18] 一方，試料を触る際に潤滑剤を用いて摩人は材質の温冷特性を知覚していることが予想される．

擦を変化させた場合でも，知覚される粗さ感には変化がな

Hardness/Softness: 素材の硬軟は，素材の弾性係数いと報告した研究例 [19] も存在する．Rough/Smooth と，やバネ定数に起因するため力の情報であると捉えられるが，Sticky/Slippery もしくは Moist/Dry が異なる次元として摩擦同様に指腹皮膚の知覚への寄与も大きい [31]. 指が素材抽出される例 [7, 6, 16, 12] も少なくないことから，本論文に触れた際の素材の硬軟の知覚メカニズムとしては，指腹では Rough/Smooth および Frictional を異なる次元としと素材の接触面積および面内の圧力分布の関与が指摘されて捉える．ている [32, 33]．しかしながら，それらの瞬間的な情報か，以上より，マクロな粗さ感・ミクロな粗さ感・温冷感・硬それとも時刻歴情報が知覚に寄与するのかなど，未解明な軟感・摩擦感（乾湿・粘り/滑り）5 種の次元を触覚テクス部分も多い．

チャの材質感を構成する次元としてまとめる．これら材質以上の材質感の知覚メカニズムのさらなる解明によって感次元を Fig. 1 に示す．ただし，これらの次元が単一の調は，本論文で述べた以外の材質感次元の構成があり得る．

査で同時に抽出された報告はなく，次元の構成に用いる試料や，材質感の表現に用いる評価語などの実験条件を調整5.

することで，5 次元が同時に抽出されることを確認するこ結論
本論文では，人が素材やテクスチャを触った際に得る質とは，今後の課題である．

感のうち，物性の知覚である材質感を構成する空間の次元4.に焦点を当てた．これまでの研究例を調査したところ，材質各材質感次元の知覚メカニズム感次元は 5 種類存在すると考えることが合理的であり，そ材質感の知覚メカニズムは未解明な部分も多く残されてれらは，マクロな粗さ感・ミクロな粗さ感・温冷感・硬軟いるが，精力的に研究されている．ここでは，上記の材質感・摩擦感 (乾湿・粘り/滑り) である．

感次元ごとに物理情報との関係性を紹介する．

謝辞

Roughness/Smoothness (Macro & Fine): 表面粗

本研究は文部科学省科学技術研究費/学術研究助成基

金 (課題番号 22800030, 23135514) の助成を受けたものでさの知覚メカニズムは，その粗さの程度に応じて異なるこある．とが知られている．多くの研究者らが，グレーティングスと呼ばれる格子状の試料を用いてその研究を行っており，試料
364

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