情報処理学会 インタラクション 2016
IPSJ Interaction 2016

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2016/3/2

Computer Aided Reuse Fabrication:
身の回りの物を素材とした物作り支援ツール
森重 浩直1,a)

山田 駿2,b)

野崎 大幹1

小川 正幹3

米澤 拓郎3

徳田 英幸3

概要：
本研究では，身の回りのものを素材として再利用する物作りに着目し，CAD 等のデジタル支援ツールを用いて従来よりも精度が高くより複雑な構造を実現できる Computer Aided Reuse Fabrication を提案する．
システムプロトタイプとして，身の回りの物を集めて特定の形状を形作るデザインツールを開発した．具
体的には，使用する素材の 3D データ（エレメントデータ）と作りたいものの 3D データ（ターゲットデータ）の 2 つを入力すると，ターゲットデータを形作ることができるエレメントデータの三次元的な配置を算出し，かつそれぞれのエレメントを物理的に固定するジョイントを生成する．本システムを足がかりに，今後の Computer Aided Reuse Fabrication の可能性を示し，その有用性について述べる．

Computer Aided Reuse Fabrication: A Design Tool for Reuse
Fabrication
Hironao Morishige1,a) Suguru Yamada2,b) Hiroki Nozaki1
Takuro Yonezawa3 Hideyuki Tokuda3

Masaki Ogawa3

Abstract: In this paper, we propose a computational design tool supporting the idea of Reuse Fabrication.
Reuse Fabrication is to fabricate with every day objects, reusing its body. As a system prototype, we have
implemented a design tool which gathers up every day object making another functional shape. In particular,
the system calculates the positional relationship among objects, and generates a joint object to bond them
together. With this system, we are aiming to seek the potential of Computer Aided Reuse Fabrication.

1. はじめに人々は以前からペットボトルを用いた筏やダンボールを用いた家など，身の回りにある物体を再利用した物作りを既にある物体を再資源化・再利用し，新たな物体の原料行ってきた．しかし，従来行われてきたリユースの物作りとして用いるリサイクルやリユースという概念が広く浸透には様々な制約が存在する．例えば，構造計算等の専門性している．リサイクルは，専門の施設で物体を原料の段階の高い知識を要する物作りは難しい．しかし近年では，デまで分解しなくてはならないため，多くのコストとエネルジタル工作機器の急速な発展・普及に伴い，従来個人にはギーを要する．リユースはリサイクルと比較して特別な加困難であった加工技術が利用できるようになり，個人の趣工が必要ないため，個人でも簡単に行うことができ実際に向や状況に合わせて物作りを行える環境が整いつつある．

1

データのオープンソース化や，デジタル技術による物作り23a)b)

慶應義塾大学 環境情報学部
Faculty of Environment and Information Studies, Keio University
慶應義塾大学 総合政策学部
Faculty of Policy Management, Keio University
慶應義塾大学大学院 政策・メディア研究科
Graduate School of Media and Governance, Keio University
morishi@ht.sfc.keio.ac.jp
guru@ht.sfc.keio.ac.jp© 2016 Information Processing Society of Japanを支援するツールの発展によって，個人がより創造的な物作りを行えるようになっている．本研究ではこうした技術発展の中で，昔から行われてきた身の回りのものを素材として再利用する物作りの可能性に着目し，デジタル技術の支援により誰もが簡単にリユースを可能にする Computer

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Aided Reuse Fabrication を実現することを目指す．本研
究における貢献は次の 2 点に要約できる．

• Computer Aided Reuse Fabrication を誰もが行えるよう支援するプロトタイプシステムを構築した.

• プロトタイプから今後の可能性を議論し，ComputerAided Reuse Fabrication の可能性を示した．
本稿は以下のように構成される．まず 2 章において本研究の基本コンセプトでありビジョンである Computer Aided

Reuse Fabrication について述べる．次に 3 章でプロトタイプの実装について記述し．4 章で Reuse Fabrication の図 1 システム構成図有用性について議論した後に 5 章で本研究の結論を述べる．

2. Computer Aided Reuse Fabrication
2.1 概要本研究のコンセプトである Computer Aided Reuse Fab-rication とは，従来のリユースによるモノづくりでは実現しえなかったような複雑な構造をも対象とした、デジタル支援ツールによる身の回りの物を活用したモノづくりを指研究では，以上の要件の中でも，入力されたエレメントの形状達成のための最適配置について言及し，要件を満たすための機構をプロトタイプとして作成する．

3. プロトタイプシステム
Computer Aided Reuse Fabrication のためのプロトタ
イプシステムについて述べる．

す．物作りを達成するには，形，色，質感，耐久性などさまざまな材料の要件が必要不可欠になる．例えば，かばん

3.1 概要を作る場合であれば物を収納できる形，長時間持ち運び可

本システムは，Computer Aided Reuse Fabrication を実能な重さ，肌に優しい質感等がその物作りの要件となる．

現するために，最も基本的な要件である形を達成すること

また，身の回りの石を使って橋を作ることを考えたときに，を目的としたシステムである．身の回りのものの 3D デー

石の配置によって橋が崩れないような構造計算を行うにタと（以下エレメントデータ）と作りたいものの 3D デーは，膨大な計算量が必要になる．これら全ての要件を踏まタ（ターゲットデータ）の２つを入力すると，ターゲットえてユーザーが個人で物作りをすることには限界がある．

データの形を達成できるようエレメントデータを三次元空

そこで，従来のリユースの手軽さを残しながら，ユーザが間上に適切に配置したモデルを提案する．また，その際にコンピュータの支援を受けながらリユースを行える物作り

それぞれのエレメントデータを物理的に固定するジョインを Computer Aided Reuse Fabrication と定義し，これをトを 3D データとして自動生成する．ユーザは必要なジョ実現することを目指す．従来よりも精緻かつ専門性の高いイントを 3D プリンタを用いてプリントし，実際にエレメ物が作れるため，発展途上国での廃材をもちいた建造物のントとジョイントを組み立て，形状を達成する．本システ作成等が期待される．Computer Aided Reuse Fabrication

ムの構成を図 1 に示す．

を実現するにあたり，必要な要件を以下に述べる．

• エレメントの形状を認識し，ターゲットにあわせてエレメントを最適に配置できること• エレメントの構造を認識し，ターゲットの耐久性を制御できること• エレメントの質感を認識し，ターゲットの質感を制御できること• エレメントの外観を認識し，ターゲットの印象を制御できること

3.2 機能要件
物作りにおいて特定の機能を生むためには，作成したい物体の形状や機能に応じて必要なサイズ・強度を持った素材を選定し，目標の形状を達成できるよう適切に配置・固定することが重要である．例えば，木材を組み合わせて物作りを行う際，机の形となるよう配置・固定すれば机としての機能を生み，椅子の形となるよう配置すれば椅子としての機能が生まれる．物作りにおいて形は特定の機能を達

物体の構造を認識する機能に関しては，3D プリンタによっ成する上で最も基本的な要素であるという仮説のもと，本て出力する物の一部分をブロックで代用することでプリン研究では，強度や色ではなく形に着目し，様々な形をしたトの所要時間を短縮する Stefanie ら [5] の研究などが存在

エレメントデータで，ターゲットデータの形を達成できるする．これは 3D プリントを行うデータの構造を解析し，ようにすることに主眼を置く．本プロトタイプの機能要件

中身や単純な部分を事前に用意したブロックで代替していを以下に述べる．

る．このように，入力されたデータの性質を認識し実空間でのインタラクションを操作する研究が行われている．本© 2016 Information Processing Society of Japan• 素材（エレメント）が目標物（ターゲット）の形を表現できるように配置されること

434情報処理学会 インタラクション 2016
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2016/3/2• エレメントが実空間において組み立て可能かつ形が維持できること
本プロトタイプでは物を形作るという物作りのプリミティ
ブな機能を達成することに注視し，エレメントデータによって人がそれと認識できるレベルまでターゲットデータのシルエットを形作り，実空間で組み立てた際その形を崩素材を 3D データに変換するさないような保持力を持つジョイントを作成する．

3.3 アプローチ

ターゲットデータそれぞれの機能要件に対するアプローチおよび各種構成作成されたエレメントデータモジュールについての詳細を述べる．

a) データの作成• エレメントがターゲットの形を表現できるように配置されることエレメント配置モジュール：本研究においては，ターゲットの形をエレメントで最も埋め尽くした時に形を達成したと定義する．そこで，今回は Bin Packing

Algorithm を応用し配置モジュールを作成する．具体的には，ターゲットとエレメントを覆う最小の体積を持つ直方体であるバウンディングボックスを取得し，ターゲットのバウンディングボックスをエレメントで充填し，ターゲットに触れていないエレメントを取り除くことで形を作る．

b) 配置モジュール• エレメントが実空間において組み立て可能かつ形が維持できること
ジョイント生成モジュール：それぞれのエレメントが実空間においても形を崩さず固定できるようにするために，3D プリンタを用いてエレメント同士をつなげるジョイントを出力する．本研究では接合した際の被覆率・プリントコストを下げることを考慮し，ジョイントを上・中・下の 3 つに分け，必要に応じてそれぞれのジョイントを使用する．

3.4 実装環境c) ジョイント生成モジュールd) ジョイント本システムを実装した際のハードウェア構成とソフトウェア構成を下記に示す．
ハードウェア• Macbook Pro Retina(OSX Yosemite）• Makerbot Replicator z18 （3D プリンタ）
ソフトウェア• Rhinocerous• Grasshoppere) 組み立ての様子• GhPython
図 2

3.5 出力テスト
今回はプロトタイプシステムを用いたテストとして，廃材を用いたロボットのインテリアを作成した．下記に作成

出力テストのフロー：(a) 使用するエレメントデータとターゲットデータの作成 (b) 配置モジュールの出力結果例 (c) ジョ
イント生成モジュールの出力結果例 (d) 実際に 3D プリントしたジョイント (e) 組み立ての様子の手順を述べる．

( 1 ) データの用意© 2016 Information Processing Society of Japan435

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4.1 デジタル支援ツール
コラージュの関連研究として以下のものが挙げられる．

Ran らが行った 3D Collage[1] では，CG 空間で簡単にコラージュを作成するために，3D コラージュを自動で生成するアルゴリズムを開発した．具体的には達成したいターゲットのデータと，使用するエレメントのデータの 2 つを入力すると，自動的にターゲットデータの形状をエレメントデータでコラージュしたモデルが出力される．また，

Zhe らの開発した Structured Machinical Collage[2] ではよりコンプレックスな 3D コラージュを作成することを目標に，あらかじめ用意されたジョイントのついたパーツを繋ぎ合わせ，コラージュを作成している．Ran らの研究 [1]は，コラージュを作成することに重点を置いているため，
図 3 プロトタイプによって形作られたロボット

実際にはエレメントデータをリサイズをしたり，配置した物体が物理的に重なり合わさっていたりと，実空間の物理的制約を考慮していない．また，Zhe らの研究 [2] も接合

はじめに実際に使用する素材の 3D データ (エレメントすることはできても，このコラージュに特化したパーツをデータ) と実際に作成する物体の 3D データ (ターゲッ使用することを前提としているため，身の回りにある多様トデータ) を用意する．図 2-a に今回のテストで使用な物体に対しては対応することができない．こうした問題したデータを示す．エレメントデータは実寸し，簡易点から既存の配置アルゴリズムでは実空間への出力は難し化したモデルを作成することで用意した．また，ターいと考える．

ゲットデータはロボットの形をしたモデリングソフトウェアを用いて作成した．

( 2 ) ソフトウェアによる配置

4.2 3D プリンタと実空間とのインタラクション
Yuki ら [3] は 3D プリンタによる，実空間の物体に干渉データを用意した後，3D 空間上でターゲットデータした物作りをユーザが手軽に行える手段を提示している．

を構成できるように配置する．具体的に，使用するエYuki らの開発した AutoConnect [3] は，ユーザに実空間レメントデータと，作成したいターゲットデータの 2に存在する物を二つ選択しそれらの配置を指定させることつをシステムに対して入力すると，出力結果として図で，二つの物体をつなげるジョイントを生成するものであ2-b に示したような結果を得ることができる．

る．しかしデータの配置をユーザに任せている点や，2 つ( 3 ) 必要な数のジョイントを 3D プリント以上の物体をつなげることを想定していない点から，複数配置が完了した後，実空間でそれぞれの素材を接合さの素材を用いて物作りをすることには向いていない．Amitせるジョイントを生成する．図 2-c にジョイント生成

ら [4] は実空間に存在する物と 3D プリンタによる出力物モジュールの出力結果を、図 2-e に実際に 3D プリントとを組み合わせた物作りを提案している．しかし，実空間したジョイントを示す．使用するエレメントデータをにおいて欠けている部分を 3D プリンタで補う研究であるジョイント生成モジュールに入力することで，上中下ため，補う際に出力されるジョイントはターゲットデータの 3 つにわかれたジョイントデータを得る．そして，に最適化された物で，汎用性にかける．

配置したモデルを基に必要な数のジョイントを 3D プリントする．

( 4 ) 素材とジョイントを組み立て5. Reuse Fabrication の展望
本節ではおかれた環境にすでに存在するものを用いた物

ジョイントが出力し終わると，使用する素材とジョイ作りである Reuse Fabrication の可能性について言及する．

ントを組み上げターゲットを作成する．図 2-d に組みプロトタイプでは，身の回りにある必要とされていないも立ての様子を示す．最終的に組み上げ終わると，図 3のを素材として捉え直すことで新たな価値を与えることにの様な結果を得ることができた．

成功した．作成したデータの形という機能だけを達成した

4. 関連研究
本研究の関連研究としては．CG 等のデジタル技術におが，形以外の機能である耐久性，色合い，質感などを考慮したデザインにすることでより高度な Reuse Fabricationが可能になる．下記にその応用例と今後の課題を示す．

ける物作り支援，デジタル工作機器による実空間における支援といった分野の研究があげられる．

© 2016 Information Processing Society of Japan436

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5.1 応用例

バーサルに接合できるよう設計したものの，現在の手法では 3 つのうちどのジョイントを使用するかという本システムを使用した応用例について 3 つに分類して述点に関してはユーザに判断を委ねている．今後はジョべる．

• デザインツールとしての応用

イントを含めたシュミレーションを行い，物体の重な絵画技法の 1 つとしてコラージュという手法が存在すり度合いからジョイントを最適に配置する機能を実装

る．本研究を応用することで，誰もが容易に現実空間したい．

での 3D-Collage を達成することができるようになる．

• 出力した物体の機能性周囲にあるものを活用し，芸術作品や形をコラージュ

前節で述べた応用例においては，形を達成するだけですることで，その人らしさを表した愛着のある作品をなく，強度や色・質感なども考慮する必要がある．今簡単に作ることができるようになると考える。また，

後は素材自体に強度・色・重さなどのパラーメータをお菓子を配置するエレメントとして用い，ジョイント付加しシミュレートする際にそれら値を考慮すること部分をチョコレート等，食べることが可能な素材を使で，形だけでなく求められている機能に対して最適な用して出力することによって，お菓子の家やお菓子の物体を生成できるようにしたい．

動物などを簡単に 3D プリンタ出力することができる．
このように，配置し，接合するという 2 つの機能を実現することで，より人々に対して創造的な支援を行うことができる．

• 知育玩具としての応用

6. まとめ近年，デジタル機器の発展と普及により，身の回りのものを使用した物作りが盛んに行われている．また，人々は昔から物を再利用した物作りを行っていたが，その行為

本研究では，素材の 6 方向に接合可能なジョイントをには様々な制限が存在する．本研究では Computer Aided生成しており．このデザインによって周囲の物体を素Reuse Fabrication という，従来のリユースによる物づく材として再利用できるようにしている．ユニバーサル

りでは実現しえなかったような複雑な構造をも対象としな接合設計を行うことによって，ジョイントそのものた、デジタル支援ツールによる身の回りの物を活用した物の再利用性が高まり，動物のオブジェクトを作るためづくりを提案した．プロトタイプシステムとして，物を形に使用したジョイントを椅子を作成する際のジョイ作るという物作りの基本的な機能を実現するデザインツーントとして再利用したりすることが可能になる．従っ

ルを作成した．具体的には，デザインツールは身の回りのて，つみ木のような子どもの知育玩具としても応用す

物の 3D データと作りたい物の 3D データを入力することることができると考える．

で，作りたい物の形に合わせて身の回りの物を適切に配置• 極地環境における物作りへの応用したモデルを提示し，それらが物理的に固定されるような宇宙空間などの極地環境では物を作成する際の素材をジョイントを 3D データとして出力する．ツールの出力テ調達することが運送上のコスト等で難しい．本ツール

ストを踏まえて行った議論から， Computer Aided Reuseを利用して岩石などの物体をスキャニングし再利用すFabrication は様々なシーンで活用できるその汎用性からることができれば，素材自体が欠乏した極地環境下で今後も研究の余地があると考える．

も，家などの構造物を作成することができると考える．
参考文献

5.2 今後の課題[1]

上記で述べた応用例を実現する上で，今後の課題について述べる．

• 配置手法[2]

現在の配置手法では，使用するエレメントの個数を制御することができない．今後は配置する物体の個数を[3]指定し，その中で足りない形等があればユーザに提案したり，作成する物体をリサイズする機能を実装して[4]いきたい．また，配置の形も単純に充填するだけでな
く，Ran[1] らの研究のような特徴量を抽出し，最適な形の部分に配置するアルゴリズムを取り入れていきた
いと考えている．

• ジョイント生成手法[5]Gal, Ran, et al. 3D collage: expressive non-realisticmodeling. Proceedings of the 5th international symposium on Non-photorealistic animation and rendering. ACM, 2007. APA
Huang, Zhe, et al. Structured Mechanical Collage.
IEEE Transactions on Visualization and Computer
Graphics 7.20 (2014): 1076-1082. APA
Koyama, Yuki, et al. AutoConnect: computational
design of 3D-printable connectors. ACM Transactions
on Graphics (TOG) 34.6 (2015): 231. APA
Zoran, Amit, and Leah Buechley. Hybrid reassemblage: an exploration of craft, digital fabrication andartifact uniqueness. Leonardo 46.1 (2013): 4-10. APAMueller, Stefanie, et al. faBrickation: fast 3D printing of functional objects by integrating construction
kit building blocks. Proceedings of the 32nd annual
ACM conference on Human factors in computing systems. ACM, 2014. APA

本研究ではジョイントを 3 つに分け，可能な限りユニ© 2016 Information Processing Society of Japan437