特集

3D プリンタと VRJVRSJ Vol.20 No.1 March, 20157

特集 ■ 3D プリンタと VR

VR で拡がるインタラクティブファブリケーション

筧康明

慶應義塾大学

Kakehi Yasuaki

1．デジタルファブリケーションと VR

2．インタララクティブファブリケーション

この数年，特に 3D プリンティング技術にかかる注目・デジタルファブリケーションと VR 技術とを関連付期待が拡大している．さらに，レーザカッタや 3D スキャ

けた先駆的研究として，Willis らが提唱した Interactive

ナなど他のデジタルファブリケーションマシンの選択肢

Fabrication[1] というコンセプトおよび一連のシステムがや組み合わせも充実し，我々の日常の制作環境が大きなある．これは，直感的、身体的な入出力を兼ね揃えた工変化を見せている．

作機械によるものづくりであり，人と機械の作業を統合

デジタルファブリケーション技術の価値が様々に議した造形を可能にする．

論・表現される中で，その一つとして挙げられるのはラ

例えば，Shaper [1] という装置は，ユーザがテーブルピッドプロトタイピング（迅速な試作）の実現だろう．

天板に設置された透明のタッチパネルの上に指を置く

3D プリンタやレーザカッタ等を介した加工により，コと，タッチパネルの直下で CNC マシンが指の動きに合ンピュータの中でモデリングした物体が手軽に実体を有わせて作動し，ポリウレタンフォームを射出する．ユーするオブジェクトに変換される．ユーザは，実体に触れザは，天板でスケッチをするような感覚でマシンをコンながら試作を行うというプロセスを踏むことで，バートロールし，ポリウレタンフォームを配置することで立チャル環境で十分な設計・検討を施したのちに完成品を体的な造形を行うことができる．同様のアプローチとし造形する従来の手法とは異なるメリットを享受できる．て，Mueller らの Constructable[2] はレーザポインタによ

ただし現状では，これらのマシンは造形に（従来に比る入力とレーザカッタを組み合わせた木材加工装置であべて短い工程で済むものの）一定以上の時間を必要とする．木板にレーザポインタで図形を描くと，コンピューることもあり，モデリング作業と造形出力作業の間に少タが手描きの線を精度の高い線に補完し，レーザカッタなからず乖離がある．比較として，粘土細工やスケッチ・で切削してくれる．これらの研究では直感的・身体的なドローイングといった手作業を前提としたアナログの創インタフェースを介入させることでそれらの関係を補完作は，必ずしも予め明確に存在するイメージを形に落とすることを目指している．

し込むのみならず，素材との即時的な対話の中で作りた

この一方で，上記の装置では，ユーザの作業面と造形いイメージを見つけていくという作り方を許容してくれ（作用）面とに空間的なずれがあり，視覚的なフィードる．デジタルファブリケーションにこれと同じようなプバックも多くはないため，ユーザの直感的な操作としてロセスを期待するには，実体化される物体との直感的・は十分とは言い難い部分もある．

直接的な操作・対話を可能にするツールや環境の構築がこれに対して，実空間に情報を重ね合わせる Mixed望まれる．このようなマシンの物理的制約の緩和・解消

Reality 技術を 3D プリンタに取り入れるというアプローに向けて，バーチャルリアリティ（VR）技術の適用はチがある．例として，Yee らは HMD を用いて空間上に可能性を含んでいる．本稿では以下，二つのアプローチ

3D モデルをバーチャルに描画し，それを実際に 3D プに分けて現行の研究動向をまとめるとともに，筆者らのリンタを用いて造形できるというインタフェースを提案

具体的な取り組みについても紹介する．

している [3]．これはモデリング時の身体的動作とデー

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日本バーチャルリアリティ学会誌第 20 巻 1 号 2015 年 3 月

3D プリンタと VRタとの空間的整合性は保たれるが，造形プロセスは別にする．用いるプリンタは，G-code によってプリンタヘッなっている．MixFab [4] は，深度センサを用いて実物体ドの位置や材料射出の有無などのふるまいをコンピューの形状をスキャンし，ハーフミラー越しにそのデータ形タから直接制御することができる．

状を閲覧しながら設計することができるシステムであ次に，現在のシステムでは，ユーザは 3D プリンタのる．これは，実オブジェクトを見ながらモデリングがで正面から内部を覗き見ることを想定する．ユーザの視点きるという点が特徴だが，実体化は通常の 3D プリンタ

からは，図 1 のようにプリンティングされるステージのに頼っている．

上に空間的に表示される 2 次元の映像を観察することがこれに対して，筆者らはデジタル環境での作業と実空できる．これらの空中像を，物理的に出力されるオブ間の作業をシームレスにつなぐ新たなインタラクティブジェクトの位置や，出力の段階に合わせて表示すること

ファブリケーションマシン MiragePrinter を開発していで，ユーザの設計支援や，出力中のエンタテインメントる．設計プロセスと造形プロセスを一つの装置内で行うなどへの応用を目指すものである．

ために，実際に立体物を造形しながら設計データを編集本システムで実現される機能として，ユーザはモデリしたり，実物体に直接新たな造形パーツを付け足すなどングデータの設計をステージの上で実物大で行うことがの造作を可能にする .

できる．例えば，ある既存の皿に合わせてコップをデザインしたい場合などには，ステージの上に皿を乗せて，3． MiragePrinter

その横で皿を設計できる．また，既存の実オブジェクト

MiragePrinter（図 1）は，筆者が慶應義塾大学 大学院の輪郭をなぞることで，簡易的に形状のスキャンを行う

政策・メディア研究科の山岡潤一と進めている研究であこともできる．さらに，このシステムの特徴として，造る．詳細については大会予稿 [5] を参照されたい．

形の途中でもその先のデータを編集・更新することがで

まず，この装置では，市販の 3D プリンタをベースにきる．空中に結像して見えるデータが次第に実体を伴って造形されていき，実体化されていない部分は常に編集可能である．対話の中で，データが最終的に手にとれるオブジェクトになる．
本システムでは，3D プリンタはノズルが上部にあり，ステージの上を三次元的に動きながら，フィラメントを出して造形を行う． 3D プリンタのステージの上に，空中像を提示するために本研究では AI Plate を利用する．
図 2 のように AI Plate を 3D プリンタの後部に 45 度の角度をつけて設置し，その下に小型のモニタを上向きに配置する．これにより，3D プリンタの正面から内部を見ると，ステージの上に鉛直にモニタの画面が浮かんでいるように見える（図 3）．

図 1 MiragePrinter

図 2 MiragePrinter の仕組み

図 3 デリングの様子 （口絵にカラー版掲載）

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94．ハイブリッドクラフト
4.1

手仕事に介入し拡張するクラフトツールの提案

インタラクションとデジタルファブリケーションに関わる議論として，これまでに紹介した研究は既存のデジタルファブリケーションマシンを前提としたアプローチである．これに対し，筆者らが現在取り組むもう一つのアプローチに，人間の手作業のデジタル技術による補助・拡張がある．これは，粘土細工や紙へのドローイン

図 4 enchanted scissors

グなど，人間の手作業の延長線上にデジタル技術の機能やその恩恵を融合させていく取り組みである．

鉛筆で描いた線は導電性を有する．また，一般的なハ

この分野で既に先駆的に進んでいる研究として，サミの刃も導電性を有する素材で作られていることが多Zoran ら が デ ジ タ ル フ ァ ブ リ ケ ー シ ョ ン と ク ラ フ ト

い．このことに着目し，本ツールでは線の上に刃が当の 融 合 を 提 案 し て い る [6]． こ れ は，2015 年 の ACMたった際に，線から刃を伝う電気を通して接触を検出す

SIGGRAPH で Hybrid Craft Gallery が企画されるなど，る．このイベント検出と刃に取り付けたストッパーを連注目の分野として立ち上がってきている．中でもインタ動させて，「線の上のみ切ることができる」，あるいはフェースとしての具体的研究事例として，彼らの一連の「線の上は切ることができない」といったハサミのふる研究の中で FreeD というシステムを挙げる．これは，簡まいのインタラクティブなルールを設定した．

潔に表現すれば 3 次元位置センサを取り付けたデジタル

本ツールを用いると，例えば目を閉じていても線の上ミリングマシンである．空間中の位置・姿勢に応じて手から外れずに線を切ることができるというような体験が持ち型のミリングマシンの on/off をデジタル制御するこ提供できるが，実際の作業の中で「はみ出すことを恐れとにより，あらかじめコンピュータに入力したモデリンずに」自由に切ることができるというような積極的創作

グデータに近い形状の造形物を「手で」作り出すことがを促すツールとして位置付けている．

できる．これに近いアプローチを紙の上のドローイング

4.3

dePENd [9]に適用した例として，Kim らの DigitalRubbing[7] か挙げ

山岡潤一と共同で開発した dePENd（図 5）も，紙のられる．このシステムでは紙を専用のペンでこすること上での手作業での創作に，ゆるやかなガイド・制約を与で，コンピュータ内のグラフィックを，紙の上に「手で」える装置である．この装置では仕掛けはテーブルにあ写し取ることができる．具体的な仕組みとしては，タブり，ユーザは一般的なボールペン，一般的な紙を用いレットとソレノイドの内蔵されたペンを用いることで，て，いつもの描き味を保ちながら創作できるという特徴

適切な位置にペン先が接触すると，ペン型デバイスのペがある．

ン先が押し出され，それ以外の位置では中に格納される

これは，ボールペンの先端が強磁性を有することを利という制御を施すことで，紙に絵を描き出す．

用し，テーブル天板背面に取り付けられた磁石を動かす

これらは，人の手でもコンピュータで設計したデータことによって，ボールペンの動きをコントロールする．

を作ることができるという以外に，コンピュータで設計コンピュータ制御による XY プロッタが磁石をインタラしたデータに人の手が加わることによる味や偶発性を加えることができるという意味づけが可能である．
さらに，空間的な位置情報に応じてツールのふるまいを制御するというアプローチに加えて，他にもそのハイブリッドな関係は表現可能である．以下に，筆者らの取り組みを 4 つ紹介する．
4.2

enchanted scissors[8]絶対的な位置に対してそのふるまいを制御するのではなく，紙に描かれた線との位置関係でふるまいを変える
ハサミが我々の開発した図 4 の enchanted scissors である（山下真裕，山岡潤一と共同で開発）．

図 5 dePENd9

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図 6 COMP*PASS

3D プリンタと VR

図 7 metamoCrochet （口絵にカラー版掲載）

クティブに動かすことにより，フリーハンドでの直線や

5．むすびに円の描画や，描いた線を記録・複製という機能を付与す

本稿では，デジタルファブリケーション技術と人間のることもできる．

関係をつなぐインタフェース，およびインタラクション

ペンは磁力の影響を受けるのみであることから，ユーの部分に焦点を当てて，マシンをより直感的に操作する

ザがマシンの誘導に反して自分の動きを加えることも可ためのインタラクティブファブリケーションの取り組み

能で，クリエーションの中でゆるやかな制約として利用と，手作業をデジタル技術により拡張していくハイブできる．

リッドクラフトの考え方に基づく取り組みを概観した．

4.4

COMP*PASS [10]これらは，初心者のものづくりへの導入として，ある中垣拳と共同で開発した COMP*PASS（図 6）は，人いは教育ツールとして，さらには専門的なものづくりを間の単純な操作をツールが拡張して，デジタルマシンな支援する人間中心的な創造ツールとして幅広い応用可能

らではの機能を付与するものである．

性が考えられる．ものづくりを個人の手に取り戻すといビームコンパスの形状をしたデバイスにおいて，回転うパーソナル・ファブリケーションの思想を体現するた

角度に応じて回転軸からペンまでの距離を可変にするこめに，作る道具自体も個人のニーズや状況に合わせてデとにより，回すだけで円以外の形状を描画することがでザインされ，使いやすいように作り変えられるという自きる．

由度を与えることが重要な取り組みとなる．

また，図形を描くのみならず，長さを測りとるという今後の課題・展望として，現状はハードウェアとしてコンパス本来の使い方を継承し，COMP*PASS で図形をのツールの開発に注目が集まっているが，他者の創作物トレースすると，その形状を記録・複製できるという機や創作プロセスデータの活用などソフトウェア的なアプ能も実装した．対象は二次元の図形に止まらず，三次元ローチと効果的に組み合わせていく必要がある．そしのボックスの形状を測りとり，COMP*PASS を回すことて，人間と機械の協働の結果として生まれる新たなプロにより展開図を紙の上に描くというような応用も提案しダクトの提案も期待される．また，ツール同士や創作環ている．

境，コミュニティとの連携など，系をつなげていくこと

4.5

metamoCrochet [11]も重要なテーマとなるだろう．

岡崎桃子，中垣拳と共同で開発した metamoCrochet（図 7）
は，毛糸の編み物に介入するツールである．温度によっ謝辞て変色するインクで毛糸を染め，編棒の先端に温度を可

本原稿を執筆するにあたり，共に研究を進めてきた山岡変にするモジュールを取り付けることよって，毛糸を途潤一氏，中垣拳氏，山下真裕氏，岡崎桃子氏をはじめとす中で切り替えることなく，部分的に変色させながら編みる慶應義塾大学 SFC 筧康明研究室の皆に感謝します．

上げることができる．加熱の時間を調整することでグラデーションのような変色効果も表現可能である．

参考文献

現状マニュアルでのスイッチングを前提とした提案だ[1] Willis, K. D., Xu, C., Wu, K.-J., Levin, G., and Gross, M. D.

が，作業の進行具合をセンシングして自動的に変色を制Interactive fabrication: new interfaces for digital

御することができれば，ユーザは柄を気にせずに形を編

fabrication. In Proceedings of the fifth international

むだけで，完成物にテクスチャが現れるなどの体験が可

conference on Tangible, embedded, and embodied

能だと考えている．

interaction, TEI ’11, ACM, 69–72, 2011.

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[2] Stefanie Mueller, Pedro Lopes, Konstantin Kaefer, Bastian[8] Yamashita, M. M., and Kakehi, Y. enchanted scissors:

Kruck, and Patrick Baudisch. 2013. constructable:

A Scissor Interface for Support in Cutting and Interactive

interactive construction of functional mechanical devices.

Fabrication. In Proceedings of SIGGRAPH 2013 Posters,

In CHI '13 Extended Abstracts on Human Factors inACM, 33, 2013.

Computing Systems (CHI EA '13). ACM, 2013.

[9] Junichi Yamaoka and Yasuaki Kakehi. dePENd: augmented[3] B. Yee, Y. Ning, and H. Lipson. Augmented reality in-situ

handwriting system using ferromagnetism of a ballpoint

3D sketching of physical objects. In Intelligent UI Workshoppen. In Proceedings of the 26th annual ACM symposium onon Sketch Recognition, 2009.

User interface software and technology (UIST '13). ACM,

[4] Christian Weichel, Manfred Lau, David Kim, Nicolas Villar,

pp. 203-210, 2013.

and Hans W. Gellersen. MixFab: a mixed-reality environment[10] Ken Nakagaki and Yasuaki Kakehi. Comp*Pass: afor personal fabrication. In Proceedings of the SIGCHI

compass-based drawing interface. In CHI '14 Extended

Conference on Human Factors in Computing Systems (CHI

Abstracts on Human Factors in Computing Systems (CHI'14). ACM, 2014.

EA '14). ACM, pp. 447-450., 2014.

[5] 山岡 潤一，筧 康明 . 空中像ディスプレイと 3D プリ[11] Momoko Okazaki, Ken Nakagaki, and Yasuaki Kakehi.

ンタを用いたインタラクティブファブリケーションツー

metamoCrochet: augmenting crocheting with bi-stable color

ルの基礎検討 . 日本バーチャルリアリティ学会大会 ,changing inks. In ACM SIGGRAPH 2014 Posters

32E-2, 2014.

(SIGGRAPH '14). ACM, Article 19, 2014.

[6] Zoran, A., and Paradiso, J. A. Free-D: a freehand digital
sculpting tool. In Proceedings of the SIGCHI Conference【略歴】

on Human Factors in Computing Systems, CHI ’13, ACM,

筧2613–2616, 2013.

慶應義塾大学環境情報学部准教授

康明 (KAKEHI Yasuaki)[7] Kim, H., Kim, S., Lee, B., Pak, J., Sohn, M., Lee, G.,and2007 年，東京大学大学院学際情報学府博士課程修了．

Lee, W. Digital rubbing: playful and intuitive interaction

科学技術振興機構さきがけ研究員を経て，2008 年，慶technique for transferring a graphic image onto paper with

應義塾大学環境情報学部専任講師，2011 年より同准教

pen-based computing. In CHI ’08 Extended Abstracts on

授，現在に至る．実世界情報環境デザイン，メディア

Human Factors in Computing Systems, CHI EA ’08, ACM,アートなどに関する研­究に従事．博士 ( 学際情報学 ).

2337–2342, 2008.

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