TVRSJ Vol.13 No.1, 2008

ショートペーパー（基礎）Fishbone Tactile Illusion を利用した
触対象の凹知覚の研究
仲谷正史*1

Robert D. Howe*2 舘∗1Tactile depth perception examined by the Fishbone Tactile Illusion
Masashi Nakatani*1 , Robert D. Howe∗2 and Susumu Tachi∗1
Abstract – Tactile sensation usually provides reliable perception of an object’s presence
and its surface geometric proﬁle. We can easily conduct a part of daily behaviors withoutlooking at. However, the human tactile sensation is not necessarily faithful reproductionof the physical property of an object in real world. Here we report a novel tactile illusion
named as ”Fishbone Tactile illusion”: in which depth perception of the contact surface
occurs through stroking by a ﬁngertip even though the surface proﬁle is physically ﬂat. We
investigated the eﬀects of the touching modes (static and active) and that of the surface
proﬁle of stimuli (presence/non presence and width of smooth-ﬂat contact surface) on
the illusionary perception of stimulus geometry. The results from the two experimentssuggest that this illusion is induced when the stimulus satisﬁes following at least twoconditions: 1. a central smooth region is surrounded by rough adjacent regions; 2. acentral smooth strip is required when the width of its region is below 1.5 mm. Thisphenomenon may reveal the basic of human tactile system to process the perception of
depth in ﬁnger tip because of its robustness and simplicity.

Keywords : tactile illusion, geometric perception, depth perception
1 はじめに
触覚は人間の五感の中でプリミティブな外界の情報で触知覚システムの理解に貢献できると考えられる．

取得に優れている．それゆえ，視覚で情報を取得できしい形状情報を提示する触覚ディスプレイの設計に利ない闇の中でも人は触覚だけを信頼して危険を回避し用可能である．事実，触錯覚を利用した凹凸感提示のながら行動することができる [1]．しかしながら，視研究がごく最近に行われ，触覚ディスプレイの刺激レ覚や聴覚と同様に，人間の主観的な触体験は必ずしもンダリング手法として応用されている [5]．

加えて，得られる知識は，VR 空間において人間に正物理世界を忠実に再現しているわけではない．その証以上の動機より，筆者らは Fishbone Tactile Illusion

拠に，触覚における錯覚現象（物理的には異なるが，を通した人間の触対象の凹知覚 (もしくは奥行き知覚)実質的に別の物理現象と等価と感じること）の存在がについて検討した．特に本稿では，現象が生じる物理長い期間をかけて少しずつ報告し続けられている．中刺激の条件を検討し，触知覚メカニズム究明に有用なでも我々は Fishbone Tactile Illusion（以下，FTI と知見を得ることを目的とする．

略記する）という，視覚の影響を受けないロバストな皮膚感覚における触錯覚現象を発見した [2]．この錯触覚の詳細は後述するが，端的に言えば物理的に平ら2 報告する触錯覚現象の詳細
Fishbone Tactile Illusion が生じる典型的な刺激形状の１つは，図 1(a) に示す「魚の骨」のような形状でな面が主観的にはくぼんで感じられる現象である．

ある．平らな中心部（以下，中心線と略記する）に対

一般に，錯覚現象を利用して人間の知覚メカニズムして周辺部には一周期 2.0 mm の空間周波数を持ったを解明する手法は視覚の分野では数多く採用されてい格子形状 (gratings) が彫られている．体験者が指腹部る．特に新しい錯視覚の発見は視覚システムの理解をで中心線を長軸方向になぞると，物理的には平らな面促進している．同様のロジックにより，発見した錯触であるにもかかわらず「くぼみ」を感じられる．一方

覚現象を利用して生じる触知覚を研究することは，旧で，図 1(c) において矢印で示した方向と直交した方向

来行われてきた心理学・感性工学 (例えば点字の設計に指を動かすと，中心線は盛り上がって感じられる．

方法など [3]) や神経生理学 [4] とは異なるアプローチ

ゆえに，FTI は指を動かす方向に依存する錯覚である．

*1 東京大学大学院 情報理工学系研究科*2 Harvard School of Engineering and Applied Sciences*1 Graduate School of Information Physics and Computing,
The University of Tokyo

さらに，FTI は視覚など他のモダリティーの影響を受けにくく，体験者が指先で接触表面に触れる前に視覚や触覚で形状を確認させた後でも凹知覚は生じる．

日本バーチャルリアリティ学会論文誌 Vol.13, No.1, 2008(a)(b)
Fishbone Pattern (FP)Inverse Fishbone Pattern (IFP)

3.1.2(c)
width

実験器具

3 次元フライス (TMC 1000, Light Machine Corporation 製) に 0.793 mm(1/32 インチ) のエンドミルを1mm装着して，厚さ 6.25 mm (0.25 インチ) のアルミニウ
2mm!

0.1mm Raised

図1

実験で用いた物理刺激．(a)Fishbone Pattern 形状は平らな面を有する中心線と，その面から深さ 0.1 mm だけ一部を削って格子形状が加工された周辺部の２つから構成される．(b)Fishbone Pattern の高さを反転させたパターン．(c) Fishbone Pattern
形状の詳細．矢印の方向に指を動かすことで凹知覚が生じる．
Fig. 1 The surface geometry pattern used in
the experiments: Fishbone Pattern (a)and Inverse Fishbone Pattern (b) ．Detailed surface proﬁle is shown in (c).

同様な現象は平面の粗さ・質感が異なる材料のペア（たとえば，アクリル板と木材）を隣り合わせて接着し，端面をフライス盤等で平らな面に加工した物理刺激でも生じる [2]．また，ピンマトリクス型触覚ディスプレイにおいて，指腹の中心部は刺激せず周辺部のみを刺激しても同様の現象が再現可能である [6]．逆に，一様に滑らかな平面の一部に粗い部分が存在することによって，凸知覚が生じうる．しかし予備実験から，粗い表面で滑らかな表面を挟んだ条件の方が再現性高
く凹知覚が生じることを確認している．
次節では，FTI において凹知覚が生じる物理条件を調べた二つの実験結果を示す．

33.1

実験

ム板上に同じ中心線幅の FP 形状と IFP 形状を作成した．中心線幅は全部で 7 種類 (0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 3.0,5.0, 8.0 mm) 用意した．中心線外側には幅 1.0 mm で，高さ差 0.1 mm の隆起と溝を波長 2.0mm で規則的に形成した（以下，周辺部と略記する）．FP 形状において，周辺部の隆起の高さと中心線の高さは同じとした．加えて，中心線のない格子形状のみの刺激片も用意し，FP，IFP 形状と合わせて計 15 種類の触覚刺激片を作成した．

3.1.3

実験手順

実験者は，実験に先立って刺激片をエタノールで洗浄し乾かした．また，実験の前にウェットティッシュを用いて被験者の人差し指の指腹部を拭き，付着した汚れを除去した．その後，実験者は目隠しをした被験者の右手人差し指を，用意した刺激片の中心線上に置いた．被験者は試行によって，指を動かさない条件 (statictouch) と自分で指を動かす条件 (active touch) の２条
件で刺激片に触れた1 ．指を動かす条件において被験者は一度だけ，自身の体の手前から奥の方向に人差し指を動かすよう指示された．被験者は，触れている接触表面の中央部が「平ら」であるか「くぼみ」かの二件法で答えた2 ．FP 形状と IFP 形状および gratings の全15 種類の刺激片を各 10 回ずつ，static/active touch
条件のそれぞれにおいて計 150 回ずつ触れさせた．試行数が多いため，static/active touch 条件をそれぞれ75 試行の計 150 試行を 1 日分とし，全試行を 2 日間に分けた．また，試行は 30 回ごとに 3 分程度の休憩

実験１ Fishbone Pattern による主観的なをとった．休憩時間には実験片をエタノールによって凹知覚洗浄し，被験者の指腹部をウェットティッシュによっ

実験１の目的は，次の二つである．一つ目は，Fish-bone Tactile Illusion の発現が中心線の幅によって影響されうるかを調べることである．二つ目は，物理的なて再び洗浄した．練習試行を含めて 1 日分の試行を終えるのに約 1 時間 10 分の時間を要した．

3.1.4

実験１ 結果

凹形状に対して確かに凹知覚が生じているかを調べる

結果を図 2 に示す．縦軸に「くぼみ」と回答した率ことである．その目的のために，Fishbone Pattern(以を示す．FP 形状に対して，static touch 条件でくぼん下，FP と略記する) 形状と，FP 形状の凸部と凹部をでいると回答する率は低く，中心線を物理形状と一致反転させた形状 (Inverse Fishbone Pattern，以下 IFPして「平ら」と知覚している傾向が見られた．しかしと略記する．図 1(b) 参照) を，中心線幅 (図 1(c) 中のactive touch 条件で中心線幅が 1.0 - 5.0 mm の間で奥width) を変えながら作成した．

行きを「くぼみ」と誤回答をする傾向が見られた．上

実験参加者

述の範囲が FTI が生じる中心線幅であり，特に 1.5 -3.1.1

右利きの 10 名の大学生・院生（男性 5 名，女性 5 名，年齢 21-28，平均年齢 24.2 歳）が実験に参加した．被験者は実験に先立ってインフォームドコンセントを与えられたが，実験の内容に関しては知らされなかった．

1 指が止まっていて刺激片が動く条件 (passive touch) においても凹知覚が生じることを予備実験で確かめたが，active touch 条件との有意差が見られなかったため，本実験では試行数を減らして被験者の負担を軽減するために passive touch 条件を行わなかった．
2 予備実験において，中央部が盛り上がっていると答えた被験者が稀 (30 人に 1 人程度) であったため，今回は「平ら」・「くぼみ」の二肢から選択させた．

仲谷・Howe・舘 : Fishbone Tactile Illusion を利用した触対象の凹知覚の研究

3.0 mm の範囲では 75 %以上の確率で錯覚が生じた．
IFP 形状に対して，static touch 条件で中心線幅が答した．特に中心線幅 1.5 - 3.0 mm の間では 75%を超えて正答した．一方，active touch 条件で中心線幅が 2.0 mm 以上では，物理形状と一致して「くぼみ」と回答する傾向が見られた．上述の範囲よりも小さい

Rate for indentation (%)

0.5 - 5.0 mm までの間では，回答率 50 % を超えて中心線を物理形状と一致して「くぼみ」と被験者は回

Fishbone Pattern
100staticactive755025

1.5 mm 幅以下の場合には，接触表面を「平ら」と答0える頻度が高かった．

00.5

実験 1 の結果から，Fishbone Tactile Illusion は中心

なぜ，凹知覚が FP 形状と IFP 形状で異なる傾向を示すのか考察する．FP/IFP 形状において，周辺部のgratings 刺激は同じである．ゆえに，唯一の物理的なRate for indentation (%)(1.0 mm 前後) 凹知覚が生じていることがわかった．

58100た．加えて，FP 形状と IFP 形状に対する凹知覚は異条件で FTI 形状に触れる時，狭い中心線幅に対しても3Inverse Fishbone Pattern

線の幅によって錯覚する確率が変化することがわかっなる傾向を示すことが示唆された．特に active touch

1 1.5 2The width of the central strip (mm)

実験１ 考察

3.1.5

staticactive7550250

違いは中心線の高さである．今回は高さ差 0.1 mm で

00.5

1 1.5 2358

The width of the central strip (mm)

あるが，指腹部に対する中心線が固着する領域の大きさは FP 形状に比べて IFP 形状では小さくなると考えられる．さらに，IFP 形状に対して，指の機械的な変形の限界から中心線幅の減少につれて中心部の底面に指が到達できなくなると考えられる．ゆえに，凹知覚が生じるメカニズムについての詳細なる検討を要するが，上述の固着領域の有無も凹知覚の原因になると考えられる．

3.2

図 2 Fishbone Pattern/Inverse Fishbone Pattern 形状をそれぞれ 1 回ずつ，static touchと active touch で触れた際に得られる凹知覚 (N=10)．エラーバーは標準誤差を表す．
Fig. 2 Subjective perceived geometry in both
static and active touch condition.
N=10, and and error bars indicate thestandard error of the mean.

実験２ Fishbone Pattern と Inverse Fish-bone Pattern における凹知覚の強度比較

3.2.2

実験器具と周辺部の粗さ差に加えて，中心部が指腹部に固着す刺激片は，実験１で利用した中心線幅が 0 mm のgratings 刺激以外の 14 種類を使用し，同じ中心線幅る面の有無も関係すると仮説立てられた．実験２では，の FP 形状と IFP 形状をペアとして７組の刺激片を使

実験１の結果の理解を深めるために，同じ中心線幅を用した．

持つ FP 形状と IFP 形状によって生じる凹知覚の強度

3.2.3

を直接比較する．

実験１と同様，実験に先立って実験者は被験者の指実験１の結果から，FTI が生じる物理条件は中心部

実験手順

実験１の結果から予測すると，中心線幅が 0.5 - 1.5の汚れを除去した．実験者は目隠しをした被験者の右mm の間では FP 形状の方が IFP 形状よりもくぼんで感じるだろうと予想される．一方，2.0 - 5.0 mm の間

手の人差し指を用意した刺激片の中心線上に置いた．

では IFP 形状の方がくぼんで感じると予想される．想れ 1 回ずつなぞり，先もしくは後の刺激片のどちらが定される結果を検証するために，以下の方法で実験を中心線にくぼみを感じたかを二件法で答えた．どちら行った．

もくぼみを感じた場合には，より深いくぼみを与えた

3.2.1

実験参加者

実験１と同じ，10 名の被験者が実験２に参加した．
実験は実験１とは別日程で行われた．

被験者は中心線幅の同じ FP 形状と IFP 形状をそれぞ刺激片を選択させた．実験２では FP 形状において錯覚が生じる active touch 条件でのみ実験を行った．刺激片の中心線の幅や FP/IFP 形状のどちらが先に提示されるかはランダムであった．練習試行を含めて 70試行を終えるのに約 40 分の時間を要した．

Rate for choosing Inverse Fishbone Patternas an indentation (%)

日本バーチャルリアリティ学会論文誌 Vol.13, No.1, 2008

100[7]，神経発火パターンが類似する [4] などの説明が考えられるが，想像の域を超えていない．今後は，物理75

刺激によって生じる機械変形による説明を中心に吟味し，本現象の究明を図ってゆきたい．また，刺激の強度差を利用した最適な触覚刺激生成方法についても検50討してゆきたい．
250

参考文献

0.5

11.5 2358

The width of the central strip (mm)

図 3 同じ中心線幅を持つ Fishbone Pattern 形状と Inverse Fishbone Pattern 形状の組を触り比べたときに，Inverse Fishbone
Pattern をよりくぼんでいると答えた率(N=10)．エラーバーは標準誤差を表す．
Fig. 3 The result of subjective evaluationthat which is indented when stroking
over Fishbone Pattern and Inverse
Fishbone Pattern (physically indentedgeometry). Averages of the resultfor ten subjects are shown, and error
bars indicate the standard error of themean.

3.2.4 実験２ 結果
図 3 に実験２の結果を示す．縦軸に IFP 形状をよりくぼんでいると回答した率を示す．ゆえに，縦軸の値が大きいほど物理的な形状と一致して凹知覚が生じ[1] R. Blake and R. Sekuler: Perception, McGrawHill, 2006.
[2] M. Nakatani, R. D. Howe, S. Tachi: The Fishbone
Tactile Illusion, in Proc. of EuroHaptics, pp. 69–73, 2006.
[3] J. M. Loomis, S. J. Lederman: Handbook of Perception and Human Performance, Tactual Perception, K. R. Boﬀ, L. Kaufman, and J. P. Thomas,Eds.
A Wiley-Interscience Publication, 1986,
vol. 2, chapter 31.
[4] K. O. Johnson, S. S. Hsiao: Neural mechanisms oftactual form and texture perception, Annual Review of Neuroscience, vol. 15, pp. 227–50, 1992.
[5] J. V. Levesque, J. Pasquero, V. Hayward, M.
Legault: Display of Virtual Braille Dots by Lateral
Skin Deformation: Feasibility Study, ACM Trans.
App. Percept., Vol. 2, No. 2, pp. 132–149, 2005.
[6] M. Oyarzábal, M. Nakatani, R. D. Howe: Vibration enhances geometry perception with tactile
shape displays, In proc. of World Haptics, pp. 44–49, 2007.
[7] 牧野, 篠田: 吸引圧刺激による触覚生成法, 日本バー
チャルリアリティ学会論文誌, vol. 11, no. 1, pp. 123–32, 2006.
(2007 年 10 月 22 日受付)

［著 者 紹 介］たことを意味する．結果より，1.5 - 2.0 mm の間を境に，中心線幅が大きくなるにつれて IFP 形状をより仲谷 正史 （学生会員）

くぼんでいると選択した．一方，中心線幅が 1.5 - 2.0

2005 年東大大学院・情報理工学・修士課程修了．同年より同大学院博士課程に在籍．日本学術振興会特別研究員 (DC1)．
触知覚メカニズム・触覚ディスプレイの研究に従事．

mm よりも小さくなると FP 形状をよりくぼんでいると回答する傾向が観測された．その際，IFP 形状を選ぶ率の平均は 30 %程度であった．

3.2.5 実験２ 考察
実験２の結果は，中心線幅が 3.0 mm 以上であればFP 形状と IFP 形状が互いに 75%以上の確率で区別さRobert D. Howe
Robert D. Howe received the Ph.D.
degree in mechanical engineering from
Stanford University in 1990.
Currently, he is the Gordon McKay Professor of Engineering in the Harvard
School of Engineering and Applied Sciences. His research interests focus on
robot and human manipulation and development of new techniques for imageguided surgery.

れることを示唆していた．一方で，1.5 mm 以下の中心線幅では，中心線に面が存在する FP 形状をより奥行き方向にくぼんでいると回答する傾向が示唆された．
以上の結果は，3.2 節の予想と合致していた．ゆえに，実験２の結果は実験１の考察における仮説を支持するものであった．

4 今後の展望
本稿は Fishbone Tactile Illusion によって凹知覚が生じる物理刺激について検討した．結果，凹知覚が生じる刺激片の物理条件として 1. 中心部に比べて周辺部が粗いことに加えて，2. 指腹部中心に固着する面の有無の２つが示唆された．上述の物理条件がなぜ凹知覚を与えるのかについては，指の機械変形が類似する

舘（正会員）

1973 年東大大学院博士課程了．工学博士．1994 年より東大・工・計数工教授,2001 年，同大学大学院・情報理工教授．
バイスペクトル，盲導犬ロボット，テレ
イグジスタンスなどの研究に従事．