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修理可能で軽量・柔軟な空圧制御ファブリックシステムの提案
赤地 由妃1,a)

山岡 潤一1,b)

概要：近年ファッション業界では，空気を用いたウェアラブルデバイスへの需要が高まっている．ブランドのコレクションやオーダメイドの衣装などで，実際に空気を用いた洋服や鞄，靴などが実装されてきた．
ただし，これらは一般のユーザが生活の中で使用するには課題が多く，例えば空気漏れが一度発生すると修理できないことや，空圧駆動のデバイス部が重くて持ち歩けないことなどが挙げられる．そこで本論文
では，修理可能で，軽量・柔軟な空圧制御ファブリックシステムを提案する．本論文では，関連研究や実装，空気回路などのデザインスペース，アプリケーション，議論と今後の展望を述べる．

1. はじめにユーザが指や手を使った操作により，ウェアラブルデバイスをカスタマイズする手法を提案する．空圧制御のモ

近年ファッション業界において，空気を用いたウェアラ

ジュールキットは，PneuBots[3] など，これまでさまざまブルデバイス開発の需要が高まっている．例えば，Louisな研究事例がある．これらの先行研究では，熱可塑性の塩

Vuitton[1] は空気を使ったアウターウェアなどを製造販売

化ビニルフィルムを用いたヒートシールなどの製造方法がしており，防寒性などが優れる．また，Fredrik Tjærandsen使われることが多い．アイロンや針、糸などの専用の道具の Balloon Dress[2] は，空気を使った未来的なフォルムをを必要とするものもある．エラストマを使用する理由は，提案している．ハイブランドによる装飾的なものだけでなより直感的な身体操作でファブリックシステムをメンテナく，触覚技術（ハプティクス）を用いた空圧制御インターンスする仕組みを構築するためである．
（A）親指と人差しフェイスも関心を集めている．手や腕に装着するタイプ

指でエラストマを押し潰す行為，（B）人差し指で穴をふさの空圧制御インターフェイスは，視覚障碍者のみならず，ぐ行為など，直感的な身体操作（図 1）により，エラストユーザに対する通知機能などウェアラブルデバイスの実装

マは形状変化する．またヒートシールよりも，大きく膨らに有用である．洋服や腕時計，鞄，靴など，人々は空気をむため，視覚的インパクトが強い．従来のヒートシール製まとい生活していくことが想定される．

法では，今回提案するような直感的な操作は難しい．

一方で，空圧制御のウェアラブルデバイスが普及する上で，課題は多くある．例えば，（１）空気漏れが一度発生すると修理ができないこと，（２）空圧制御を行うハードウェ
ア部分が重くて持ち歩けないこと，などが挙げられる．通常の布地のファブリックでは，ユーザが生活の中でアイロンをしたりミシンをかけたりすることで，衣類を修理していくプロセスが存在する．空圧制御のウェアラブルデバイ
スにおいても，修理のプロセスを導入し，日常生活でユーザが使用しやすいシステムが必要になる．

図 1

指を使った直感的な身体操作の例

本研究で提案する空圧制御のファブリックシステムは，ソフトロボティクスの研究で使用されてきたエラストマ

本提案システムは，レーザーカットで裁断されたレイヤ（ゴムと樹脂の中間の特性を持つ物質）を使用しており，を重ね合わせて製造されており，空気回路や電子パーツなどをコンポーネンツとして含む構造である．ユーザは自ら

1a)b)

慶應義塾大学大学院メディアデザイン研究科
akachi0803@kmd.keio.ac.jp
yamaoka@kmd.keio.ac.jp© 2024 Information Processing Society of Japanの手でレイヤをカットし修復しながら，切り絵のようにウェアラブルデバイスを作る．本提案ではさまざまなパ

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ターンのファブリック事例をユーザに示し，ユーザはそのや Fluidic Computation Kit[9] は，電子的な手法に限定せ中から好きなものを選び，好きなようにカットし，指で修ずとも，アナログなユーザの操作が，空気制御のシステム復しカスタマイズしながら，自らのウェアラブルデバイスにおいて有効であることを示した事例であり，本研究の身を設計する．

体操作に通ずるものである．

本論文では，関連研究や実装，空気回路などのデザインスペース，アプリケーション，議論と今後の展望について述べる．

3. プロトタイプ3.1 基本構造

2. 関連研究2.1 ウェアラブルデバイスのモジュールキット
ユーザがウェアラブルデバイスをカスタマイズして製造できるモジュールキットの先行研究は多くある．Wearable

Bits[4] は，e-テキスタイルをプロトタイピングするツールキットで，金属製のスナップボタンを用いて，センサやモータなどを接続し，プログラミング操作する．A Cuttable

Wireless Power Transfer Sheet[5] は，好きな形に切っても機能を維持できるワイヤレス充電シートを開発し，家図 2

具・鞄・衣服などに貼り付けるだけで，ワイヤレス充電可能なウェラブルデバイスを製造できるシステムである．

Awakened apparel[6] は，空圧制御の折り紙構造のファブリックシステムで，プログラミング制御で形状変化するスカートなどの応用例を示している．PneuBots[3] は，空圧制御のモジュール式のソフトロボット構築キットであり，応用例にリストバンドなどのウェアラブルデバイスがある．
先行研究において，ファブリック構造に電子パーツを組み込み，ウェアラブルデバイスを容易に製造できるようにしたキットは多いが，本論文の提案手法は，電子パーツだ基本のレイヤ構造

提案システムの基本構造は，エラストマテープ（3M 製

VHB テープ Y-4910J - 0．5mm) と機能性フィルムを用いたレイヤ構造である（図 2）．第 1 層から第 3 層までは空気回路のレイヤであり，2 枚の機能性フィルムをエラストマテープで接着することで，空気回路を設計している．複雑な回路を設計する場合のために，Autodesk 社の EAGLEによる自動回路計算を利用した．設計後の空気回路の修復手法については後述する．

けでなく，空気回路をレイヤに内蔵し，カットしても修復できる構造を示した．この空気回路の修復可能なファブリックシステムは先行研究とは異なる部分である．

2.2 空気回路の関連研究
本論文の提案手法においては，レイヤに内蔵された空気回路が重要になる．milliMorph[7] は，ミリメートルスケールの空気回路をヒートシールで製造し，連続的な収縮運動を引き起こす空圧機構を設計する研究である．Ve-nous Materials[8] は，静脈上の流体回路をエラストマで製造し，指を使ったアナログな操作で動くシステムを設計した研究である．Fluidic Computation Kit[9] は，電子を使わずに，流体回路のスイッチなどを制御する研究であ

図 3

提案ファブリックの利用方法

る．PneuSeries[10] は，双方向逆止弁を用いて，隣接する空気のキューブを１つずつ制御するシステムの研究であ提案する空圧制御のファブリックシステムは，軽量・柔る．Liquid Printed Pneumatics[11] は，高速液体印刷技術

軟であるため，さまざまな形状に巻き付けることができるを使用して，積層造形を行うことで，空圧制御可能な構造（図 3）．ウェアラブルデバイスで多く採用されている円筒を製造するシステムである．

タイプの形状（A）のみならず，エッジのある形状（B）やこれらの研究は，ウェアラブルデバイスに特化したものフラットな形状（C）にも対応する．また，エラストマはではない．ただし，本研究の空気回路の構造設計は，これら耐水性があるため，短い時間であれば液体の中でも劣化しの先行研究を参考にしている．特に，Venous Materials[8]にくい．ただし，電子パーツをコンポーネンツとして含む© 2024 Information Processing Society of Japan258

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ファブリックは，あらかじめ取り外した方が安全である．

機能性フィルムの重ね合わせ（図 5）による空気形状の伸ばしすぎるとエラストマが切れることがあるため，球体カスタマイズについては，AirPolygon[12] で提案したレー形状（E）は非推奨である．また，トゲがある形状（F）も，ザーカッタによる手法を用いる．

破損の原因となる．

コンポーネンツは，空気を制御する電磁弁やタッチセン

第 4 層は，コンポーネンツ用のレイヤである．電子パー
ツを組み込んだり，紙や布地を切ってエラストマ内部に封シングを行う静電容量フィルム（図 6），電子回路，ハンダ付した電子パーツなどを使用する．

入することで，ユーザはさまざまなデザインをカスタマイズできる．最上部の第 5 層から第 6 層は，インフレータ
ブルの形状を提示する部分である．多くのインフレータブ
ルデバイスは球体提示が多く，特にエラストマを用いた手法では球体提示になりがちであるが，本提案システム
ではシャープな形状にも対応する．この手法は筆者らのAirPolygon[12] に述べられた方法を用いる．

図 6

コンポーネンツ層の設計例: 電磁弁と電子回路（左） 静電容量フィルム（右）3.2 機能性フィルムとコンポーネンツ
機能性フィルムは，いくつかの素材を検討し（図 4），熱紙のように，水に濡れると破れたり摩擦したりする素材可塑性ウレタンフィルム（TPU）や導電性ポリエチレンテは，エラストマ内部に封入することで，耐水性や耐久性がレフタレート（導電 PET），ポリスチレン（PS）を使用す向上する．どのようなものをユーザがエラストマ内部に封る．エラストマとの接合度が低いポリエチレン（PE）やポ入するかは，ユーザが選択可能である．従来，紙などの特リプロピレン（PP）などのフィルムは，空気漏れの原因と殊な素材を洋服としてまとうには，複雑な加工をする必要なる．またレーザーカッタでダイオキシンなどが発生するがあったが，この手法であれば，ユーザが紙に書いたもの塩化ビニル（PVC）も使用しない.

も，洋服の内部に封入することができる．

図 7

紙をコンポーネンツにする設計例

3.3 空気回路の基本設計
図 4

機能性フィルムの選定提案手法では，空気回路の設計が重要である．空圧制御では，空気漏れが一度発生すると全体の空圧バランスが崩れてしまい，ユーザが修理することが難しいという課題がある．一部の空圧制御デバイスは，シリコンチューブを使用しているが，チューブが絡まる場合があり，ウェラブルデバイスのような身体を動かすものには向いていない．提案手法では，空気回路のレイヤをファブリックシステムの内部に設計し，これらの課題に対応した．
空気回路の自動計算は Autodesk 社の EAGLE のソフトウェアを用いている（図 8 左）．このソフトウェアのAutorouter 機能は, プリント基板の自動配線を行うためのものだが, 設定で「回路の幅」や「回路同士の間隔」をミリ単位で設定することができる. どちらも 5mm 前後を指定し([12] より引用)
図 5

AirPolygon の形状提示システム© 2024 Information Processing Society of Japanて自動配線することで, 最適な空気回路を設計することができる．

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3D プリンタを用いて，空気漏れを起こしにくい形状のエラストマテープ（３ M 製）は圧力を加えたり加熱する独自のコネクタを設計している（図 8 右）．コネクタの形と，アクリル接着剤が染み出して，接着力が高まる特性が状は，ユーザが指で穴を押さえること（＝ TsunTsun）で，ある．指を使った前述の修復操作を行うことにより，空気アナログ的な方法でも，空気の on/oﬀ を行えるよう直感的漏れを防ぎ，ふたたび空気回路を閉じることができる（たな操作を誘発するように設計した．

だし，5mm 未満の細かい箇所の修復の場合，修復しても空気漏れを引き起こす可能性があるので，あまり細かい修復はできない）．図 11 は，空気回路を延長する図面例である．

図 8

EAGLE ソフトウェア (左) コネクタ形状 (右)図 11

3.4 空気回路の組み立て及び修復

空気回路の延長例

提案手法により，空圧制御のファブリックから洋服を制作する場合において，パターンの裁断時に空気回路が切断されてしまうことは避けられない（図 9）．提案手法の空気回路は，ユーザが任意の位置でカットしても，修復可能な構造である（ただし切断部分が，空気回路ではなく膨張部の場合，空気回路を閉じることができない）．

3.5 空圧制御のハードウェア設計
ウェアラブルデバイスでは，空圧制御を行うためのハードウェアは重すぎる場合，ユーザの動きの障害になる．図12 は，空圧制御のスイッチ部分（Switcher）とポンプ部分（Power Supply）の電子パーツを取り出したものである．
電磁弁や 5V 制御のミニポンプは大きくないため，ユーザはポケットサイズで，これらのハードウェアを持ち運ぶことができる．重量は，それぞれ 200g 未満である．なお，電磁弁は，Mosfet(2N7000) とマイクロコンピュータ（Aruduino Nano や ESP32）を使用しており，空圧をコントールする仕組みである．

図 9

洋服のパターンと空気回路
図 12Switcher(左) Power Supply(右)4. アプリケーション
提案手法の修理可能で，軽量かつ柔軟な空圧制御ファブリックという特性を活かした応用例をあげる．この特性を活用できる最適なアプリケーションはウェアラブルデバイ
図 10空気回路の修復例

スであるが，インテリアにおけるファブリックなどの応用例も考えられる．

空気回路の修復例として，図 10 左のように，空気回路の途中でユーザがカットした場合，エラストマテープの破片により，エラストマを数回押し潰すようにして穴を塞ぐことで，空気回路を閉じることができる（図 10 左）．
空気回路は延長して，他のパーツを繋げることもできる．

© 2024 Information Processing Society of Japan

4.1 ウェアラブルデバイス
ウェアラブルデバイスの応用例は，服や鞄，靴，腕時計（バンド部分）を実装している（図 13）．これらは，空圧制御のハードウェアと連携することで，センシングしたり，260情報処理学会 インタラクション 2024
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スマートフォンでの操作に応じて，マイクロコンピュータ

ど）に，本提案のファブリックシステムを用いる応用例を（ESP ３２）によりプログラミング制御可能である．実際検討する予定である．に着用したり，持ち歩くデモを行うことで，ユーザ評価を検証したい．

図 14

指を使ったワークショップの様子

5. 議論と今後の展望
これまでの研究結果で，空圧制御のウェアラブルデバイスのための空気回路を含むファブリックシステムは開発可能であることを確認した．ただし，製造工程において，幾つかの残された課題がある．
（１）手による修復作業：手による回路の修復作業やアナログ式のスイッチのシステムは，ユーザ評価を経て，改善していく必要がある．ワークショップを通じて，基本的な手による修復作業は直観的であることを確認したが，ワークショップを通じて発見したユーザの手の動きを整理して，ユーザに最適なガイドラインを取扱説明書などで提示することを検討する．
（２）柔軟性：一部の機能性フィルムの使用において，ファブリックが硬くなりすぎて，ウェアラブルデバイスにおける加工が難しい場合がある．特に，ポリスチレン（PS）を用いた場合では，直線的で硬質な形状になりやすく，機能性フィルムの違いによるファブリックの特性変化を整理する必要がある．
（３）軽量さ：空圧制御のハードウェアは，ポケットサイズの設計となっているが，改良の余地がある．特に，5V
ミニポンプは，タバコ箱大と大きいので，さらに軽量な設計を検討する．
（４）静音性：ポンプの音や電磁弁の on/oﬀ 時のクラッ
ク音は，ユーザにストレスを与える可能性がある．電子的な手法のみならず，手や非電子的な操作を使用することで，
図 13

提案手法によるウェアラブルデバイスの応用例: (A) 洋服(B) 鞄 (C) 靴 (D) 腕時計

より静かな空圧制御システムが構築できる可能性がある．
（５）空気回路の修復：現在の提案方式では，修復の跡がみえてしまい，デザイン性を損なう可能性もある．洋裁におけるステッチのデザインのように，製造工程の跡がデ

4.2 ワークショップ
ユーザの手による修復作業が有効に機能するかどうか，国内外の展示でワークショップを行い，検証している．こザイン性につながる可能性もあるが，その場合でも，修復跡をどのようにデザインするか事例を提示する必要があるだろう．のワークショップ後のアンケート調査によれば，ウェアラ（６）コンポーネンツ：コンポーネンツには，紙や古いブルデバイスの他に，インテリア雑貨や玩具などへの応用布など，さまざまなものを封入することができるが，コンも希望するユーザが多かった．まだ未実装であるが，今後ポーネンツの設計スペースは，整理する必要がある．トゲはウェアラブルデバイス以外の領域（例えばインテリアながあるようなものを封入すると破損する可能性があるほか，© 2024 Information Processing Society of Japan261

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液体を封入した場合の安全性など，コンポーネンツごとに注意点をまとめる必要がある．ハンダ付をした電子パーツを封入する場合は，耐久性テストなどの評価が必要である．

[8]（７）洗濯などの耐久性評価: ファブリックとしての耐性評価について，洗濯における適切な実験を行う必要がある．手洗いの洗濯をおこなうことを想定した場合，何回ほど洗濯が可能かなどの検証が必要である．
上記のような議論を踏まえ，今後の展望として，安定し[9]確立したファブリックシステムの製造プロセスを構築した
い．また，必要に応じ，ユーザの手作業を助けるような専用の道具なども開発したい．これらは社会実装して，専用キットなどでユーザに届けることも検討する．テストユー[10]

ザに使用してもらうことで，ユーザ評価を収集する予定っである．今後は，ユーザのフィードバックを適切に評価し，提案手法に統合していきたい．
[11]

謝辞
本研究は，日本テレビホールディングス株式会社の日テ
レ R&D ラボより支援を受けて遂行されており，この場を借りて深く御礼申し上げます．
参考文献
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