WISS 2023

導電性・強磁性・及び土台の可撓性を持つ毛構造の造形手法の提案
鎌田 航誠 ∗

高橋 治輝 †

塚田 浩二 ∗

概要. 本研究では，安価な熱溶解積層方式の 3D プリンタで造形可能な細かい毛の集合体（毛構造）の拡張について提案する．先行研究で提案されていた毛構造の造形手法を活用し，導電性／磁性等を備えるフィ
ラメントを造形に用いる方式や，柔軟に動かせるソフトレジンに毛を埋め込む方式を提案・試作する．試作
した毛構造について，ユーザテストを通して，材料やパラメータ変化による触感の印象を調査する．さらに，制作例を通して，提案手法をインタラクション研究に活用する方向性を示す．

1

はじめに

近年，3D プリンタの造形技術の進歩により，低価格の 3D プリンタで数ミリ単位の細かい形状や複雑な構造の立体物を造形可能となり，直径 1 mm 以下の細長い毛のような構造の造形手法が提案されている [12]．毛状の造形物は VR コントローラ [4] やテ
クスチャ表現 [1] のように，毛の長さによる触り心地の変化を活かして，実世界の触感の再現などに応用されている．ピンアレイや毛構造に上下運動や回転運動が可能なアクチュエータを組み合わせて，触覚
ディスプレイとして扱う研究も行われている [13][8]．
一方，先行研究で提案された毛構造にはまだ拡張の余地が残されている．まず，毛を造形する際の材料に関して，これまでの手法では主に PLA 樹脂が用いられており，フィラメントの種類について十分
検証されていない．また，毛構造の毛の部分はプラスチック製の硬い土台に固定されており，この土台部分を柔軟に折り曲げて活用するような事例はない．
さらに，こうした毛構造がもたらす触感の傾向を理解するためのユーザテストも行われていない．
本研究では，3D プリントによって造形可能な細かい毛の集合体（毛構造）を用いた情報提示手法の構築を目指す．そのための手法として，導電性／磁性を持つフィラメントを造形に用いる方式や，ソフトレジンに毛構造を埋め込む方式を提案・試作する．
これらの方式を用いることで，毛構造をセンサやアクチュエータとして扱い，静電容量／磁力／圧力等を活用したインタラクティブな触覚ディスプレイを構築できると考える．また，本論文はインタラクショ
ン 2023 でインタラクティブ発表 [11] を行った内容に加筆したものであり，UIST2023 でのデモ発表 [2]を予定している．

Copyright is held by the author(s).
公立はこだて未来大学
†
立命館大学

∗

2
2.1

関連研究
毛の造形手法高橋らは熱溶解積層方式 3D プリンタを用いた毛構造の造形方法やその応用方法について提案している．具体的に，文献 [12] では熱溶解積層方式 3D プ
リンタを使用し，樹脂を引き伸ばす G-code を直接記述することで，毛を 3D プリントする方法を提案している．文献 [8] では，G-code を使わずにスライ
サソフトウェアのみを用いて行えるようにした．さらに，毛構造とサーボモータを組み合わせることで，毛先を移動・回転可能な情報提示手法を提案している．Laput ら [3] は，3D プリンタの造形時に起こる
糸引き現象を利用した毛の造形手法を提案している．
文献 [12][8] は二つの壁を橋渡しするようにして造形するが，この手法では一つの壁から水平方向にフィラメントを引き延ばしている．その影響として，毛の先端部分にかけて細くなる特徴がある．Ou ら [6]は，光造形方式の 3D プリンタを用いて，細かい毛を表面テクスチャとして持ち，毛が生える傾きなどを調整できる毛構造を作製した．応用例として，毛の上に置いた物体の動きを制御できるアクチュエー
タを提案している．本研究では，先行研究 [8] の造形方法を活用して毛構造の造形を行う．造形する毛構造に対し，導電性／磁性等の多様なフィラメント
を利用することで，素材の性質を活用した情報提示
手法を構築する．

2.2 毛構造を使った触覚提示・センシング
Lee ら [4] は，毛を用いて指先に触覚フィードバッ
クを与える VR コントローラを作製した．デバイス
を用いて VR 上で仮想的な物体に接触することで，デバイスに内蔵されたモータが毛の長さと角度を制御し，柔らかい触感や粗い触感を指先に伝えることができる．Degraen ら [1] は，VR で仮想的な物体の質感を知覚するためのテクスチャとして，3D プリン
タで作られた毛構造に着目した．毛の長さのみが異なる五種類の毛構造を配置し，HMD で布や金属などの視覚的な質感を毛構造の位置に重ね合わせて表WISS 2023

示する．この状態でユーザに 5 種類の毛を仮想空間上で触れさせ，毛を使って再現したテクスチャと視覚的な質感を一致できるのか実験を行っている．梅津ら [9] は，形状記憶合金をフレキシブルチューブで覆い，光センサーを組み込むことで，光量によって曲がり具合が変わる直径 3 mm の毛を作製した．この毛を複数本合わせて LCD 上に置くことで，複数の毛を LCD の画面映像の光によって制御することなどができる．中嶋ら [14] は，半透明のプラスチック
光ファイバーと赤外線による接触検出技術を用いて，毛状のマルチタッチディスプレイを提案している．
光ファイバーが配置されている隙間から赤外線ライトを照射し，接触による赤外線の反射によってタッ
チ部分を検出する．プロジェクターを使い，光ファ
イバーの束を発光させることで，視覚的なフィード
バックを行う．遠藤ら [10] は，3D プリンタを使用
して毛と毛根を造形し，食用のアガーを固めた弾性体に毛を埋め込むことによって，生物の毛と皮膚を模したものを作製した．毛根の下部からカメラで撮
影し，弾性体による光弾性の変化を観測することで，微細な毛のタッチ検出を行うことができる．本研究では，毛の土台部分などにセンサやアクチュエータを埋め込むことで，静電容量／磁力／圧力等を活用したインタラクティブな触覚ディスプレイを単純な構造で構築することを目指す．

図 1. 毛構造の造形の様子および設計システム

樹脂などを使い分ける．また，PLA 樹脂に粉末素材（フィラー）を混ぜ合わせたフィラメントを使用することで，素材の特性を造形物に持たせることが
できる．

4.1

3

先行研究の再現およびシステム実装

毛構造の造形に関して，本研究で使用する 3D プリ
ンタと材料で再現可能か確かめるため，先行研究 [8]で提案された手法の再実装を行った．造形環境として，熱溶解積層方式 3D プリンタ (Creality Ender3,Ender3 v2) と PLA フィラメント (Voxelab PLA+)を用いた．ノズルは 0.4mm 径のものを使用した．左
1 ，その間を往復して橋渡しす
右に壁を作り (図 1○)
るように樹脂を出力することで毛を造形していく (図2 ．これを繰り返して複数の毛が集まった毛構造
1○)3 ．
を造形することができる (図 1○)
毛構造の 3D モデルは Rhinoceros やそのプラグインである Grasshopper 等のプログラマブルな CAD
環境（図 1 下部）を用いて設計する．Grasshopperで毛の長さや毛同士の配置間隔，毛の本数等のパラメータを UI 内のスライダを動かすことで調整し，Rhinoceros 上で調整した毛構造の 3D モデルを反映させる．以降の章では，このシステムを用いて設計した造形データを用いて造形実験を実施する．

4

異なる材料を用いた毛構造の特性変化

3D プリンタでは，さまざまな種類の材料（フィラメント）を使用して造形することができる．一般
的には PLA 樹脂や ABS 樹脂を用いるが，造形する目的や用途に合わせて，耐衝撃性や耐熱性を持つ

導電性フィラメント

導電性フィラメントとは，PLA 樹脂に炭素系の粉末材料を混ぜた樹脂フィラメントである．導電性
フィラメントを使うことで造形物に導電特性を付与することができる．そのため，このフィラメントは
インタラクティブなオブジェクトの制作や電子回路用の部品の作成によく使用されている [5][7]．導電性フィラメントで造形した立体物は静電容量の変化によって接触を検知したり，曲げセンサのように立体物を曲げたときの状態を抵抗値から計測したりすることができる．
導電性を持つ毛構造を造形するため，Protopasta
製のフィラメント (Proto-pasta CDP)1 と MSNJ 製のフィラメント2 の 2 種類の導電性 PLA フィラメン
トを使用した．当初の造形実験では，入手性の観点から Protopasta の導電性フィラメントを使用して行っていた．このフィラメントを使用した造形には成功したが，造形後に土台から抜けてしまうことや折れやすいといった耐久性の問題が見られた．一方，
MSNJ 製の導電性フィラメントでは，こうした耐久面での問題が改善されたものの，材料に関する詳細な情報が公開されておらず入手性や材料の信頼性の面で課題がある．導電性フィラメントを使った毛構造の 3D プリントでも，先行研究と同様に，毛の長さ，密度，太さなどのパラメータを指定してモデルを造形可能である．

導電性・強磁性・及び土台の可撓性を持つ毛構造の造形手法の提案

4.2

磁性フィラメント

磁性フィラメントとは，PLA 樹脂に鉄粉末を混ぜた樹脂フィラメントである．ここでは磁鉄 PLA
フィラメント (Proto-pasta MIPLA)3 を材料として毛構造を造形した．鉄粉末が混ぜこまれていること
により，造形物に金属の特性を付与することができる．このフィラメントは造形物に強磁性を持たせることを目的として作られているが，副次的な性質として，造形後の後処理により金属光沢や赤錆を造形
物の表面に出すこともできる．
磁性フィラメントを使用して毛構造を 3D プリン
トするために，先行研究の造形方法に対して，本研究で用いた環境では，スライサの設定でノズル温度を推奨である 200 ℃よりも 20 ℃高く設定し，フィラメントの押し出し量を 110%にすることで安定して造形できた．磁性フィラメントを使った毛の 3D
プリントでも，先行研究と同様に，毛の長さ，密度，
太さなどのパラメータを調整してモデルを造形可能である．造形した毛構造は，図 2 のように，毛の部分が磁石に引き寄せられる特性の変化が見られた．
さらに，これまでの PLA 樹脂製の毛構造よりも丈夫であり，磁性の毛構造を手に持った状態で軽い磁石を持ち上げることが可能である．

では，毛構造の 3D プリント後に，土台部分を異なる素材に置き換える手法を紹介する．毛構造を柔軟に動作させることを可能にするため，土台にはレジンクラフトなどで使用されるソフトレジンを使用して柔軟な土台への植毛を行う．

4.3.1

ソフトレジンへの埋め込み手順

ソフトレジンに毛を埋め込む手順を図 3 の順番に沿って説明する．まず，3D プリントした直後の毛構造の片方の壁と毛を切り離し (図 3a)，UV ライ
トで硬化するソフトレジン液を型に流しておく (図3b)．その後，毛の先端をレジン液に埋める (図 3c)．
この状態で UV 照射機を用いて UV ライトを照射し，レジン液を硬化させる (図 3d)．このようにして，硬化したレジンの壁と樹脂の壁で挟まれた毛構
造を作ることができる (図 3e)．その後，樹脂製の壁と毛を切り離すと柔軟な土台の毛構造を作ることができる (図 3f)．

図 3. レジンに毛を植毛する方法

4.3.2
図 2. 磁石に引き寄せられる毛構造

4.3

毛構造のソフトレジンへの埋め込み

3D プリントした直後の毛構造の両端は，安定して造形するために二つの壁によって毛の両端が固定
3 ）．3D プリント後は，カッター
されている（図 1○
ナイフを用いて片側を切り離すことにより毛構造を完成させる．そのため，毛構造の土台となっている部分は硬い板状になっており，曲げることは不可能である．土台部分をより柔軟にして曲げることが可能になれば，毛の動きの可能性をさらに広げたり，曲面に貼り付けたりすることができるだろう．ここ1

https://www.proto-pasta.com/collections/all/products/conductive-pla
2
https://www.amazon.co.jp/dp/B08Z3NZCB7
3
https://www.proto-pasta.com/collections/all/products/magnetic-iron-pla

シリコンモールドの作成

ソフトレジンへの毛の埋め込みには市販のシリコ
ンモールドを使用できるが，ソフトレジンが硬化する前の段階（図 3c）では毛の接地が不安定であり，
UV 照射機に入れる際に，レジンに浸けた毛の先端が動いたり，毛構造自体が倒れたりしやすい．また，
市販のシリコンモールドはサイズが限られているた
め，ソフトレジン土台の毛構造は目的に合わせたサイズで制作することが難しい．そこで，これらの問
題の改善を目的としたシリコンモールドを作成する．
図 3 の製作過程において，図 3c の部分で使用されていた市販のシリコンモールドを新しく作成するシリコンモールドに置き換えることで，より安定した
埋め込みが行えるようになる．
作成手順を図 4a, b, c に示す．ソフトレジンを流し込むスペースとなる部分は，あらかじめ 3D プリ
ンタを用いて造形する．ここでは，シリコンモール
ドに毛の先端が入り込む穴を設けるために，埋め込む毛の本数に合わせた窪みのある立体物を造形する(図 4a)．このような形状で型をとることによって，

WISS 2023

図 6. 電子部品の埋め込みと曲げセンサを用いた計測例

55.1
図 4. 植毛に適したシリコンモールドの作成手順および作成したシリコンモールドで植毛をする様子

埋め込む毛構造のサイズに合わせたシリコンモール
ドが作成可能である．この立体物 (図 4a) をシリコン作成用の枠に収め，シリコン液を枠に流し込み，硬化させることでシリコンモールドを作成する (図4b)．この状態で一日経過させ，固まったシリコンから枠と立体物を取り外すことで，図 4c のようなシリコンモールドが作成できる．これに毛構造を設置す
ると，図 4d のように，毛の先端がシリコンモール
ドに作られた細かな穴に入り込み，毛が均等に広がり，倒れにくい状態にできる．この改善により，図3 の工程をより安定して行うことが可能になる．

4.3.3

柔らかい土台での毛の動き

ソフトレジンへ植毛した毛構造によって，土台部分を曲げることで毛が開く／閉じる動きや土台をねじることによる動きができるようになる (図 5)．
また，UV ライトでレジンを硬化させる前の段階で，
図 6 のように毛と一緒に電子部品を埋め込むことで，毛構造の柔軟な土台部分利用したセンシングやアク
チュエーションが可能となる．試作として埋め込んだ曲げセンサ（SEN-10264）のような，薄く柔軟性のある電子部品が埋め込みに適していると考える．

目的

パラメータが異なる毛を被験者に実際に触らせて，それぞれの毛の触感について印象評価を行う．これにより，多様な毛構造の触感の違いや類似性について調査し，定量的な評価を測る．また，本稿で提案する導電性／磁性の毛構造を使った制作の参考にするため，パラメータは変更せずに造形材料だけを変えた場合の触感への影響も調査する．

5.2

手法

事前準備として，5 種類の「パラメータを変更して造形した毛構造」と「導電性／磁性フィラメント
を造形材料とした毛構造」を用意した．これらのパラメータと材料についてまとめたものを表 1 に示す．
毛構造自体が独特の触感を持つことを考慮し，標準的なパラメータで造形した毛構造 A を触れた印象をベースラインとして，毛構造 B-G に触れた印象を回答させた．
被験者は，20〜25 歳の男性 12 名，女性 2 名の合計 14 名であった．まず，被験者には，実験で使用する毛構造が 3D プリンタで作製したものであることを伝え，表 1 の毛構造 A を提示し，形状と触感を確認させた．その後，実験者は毛構造 B-G の中から一つを順序効果を考慮して被験者に提示し，毛構造
A と触感を比較しながら評価を行わせた．なお，毛構造 B-G の形状は被験者からは見えないように配慮した．実験の様子と実験で使用された毛構造を図7 に示す．実験では，被験者に片手で毛構造の毛先部分に指を押し付けるようにして触れさせながら，利き手で紙媒体のアンケートに回答してもらった．
この手順を毛構造 B-G に対して繰り返し実施した．
アンケートに使用した形容詞対は SD 法で用いられる指標の中から触感に関するものを選出し，それぞれ 7 段階で回答させた（図 8 参照）．

5.3

図 5. 土台を曲げたときの動作

毛構造の触感の印象評価

結果

アンケートの結果の平均値と標準偏差について，毛の長さが異なる場合の結果を図 8，毛の配置間隔が異なる場合の結果を図 9，毛の造形材料が異なる
場合の結果を図 10 にそれぞれ示す．

導電性・強磁性・及び土台の可撓性を持つ毛構造の造形手法の提案

表 1. 実験に使用した毛構造の詳細

毛構造 A
毛構造 B
毛構造 C
毛構造 D
毛構造 E
毛構造 F
毛構造 G

毛の長さ

毛の間隔

造形材料

40 mm
20 mm
80 mm
40 mm
40 mm
40 mm
40 mm

2 mm
2 mm
2 mm
1 mm
5 mm
2 mm
2 mm

PLA
PLA
PLA
PLA
PLA
導電性 PLA
磁性 PLA図 7. 実験の様子と使用された毛構造

図 8 より，「-3: やわらかい 〜 +3: かたい」の質問については，長さが 20 mm の毛構造 (B) は平均
1.93 (標準偏差 0.92) となり，長さが 80 mm の毛
構造 (C) は平均 -2.14 (標準偏差 0.66) という結果が得られた．また，「-3: なめらか 〜 +3: 粗い」，「-3: 軽い 〜 +3: 重い」，「-3: 弱弱しい 〜 +3: 力強い」についても差がみられた．
図 9 より，「-3: 軽い 〜 +3: 重い」の質問については，間隔が 1 mm の毛構造 (D) は平均 0.21 (標準偏差 1.31) となり，間隔が 5 mm の毛構造 (E)は平均 -2.21 (標準偏差 0.70) という結果が得られた．また，「-3: 弱弱しい 〜 +3: 力強い」の質問については，間隔が 1 mm の毛構造 (D) は平均 1.14
（標準偏差 1.17）となり，毛の配置間隔が広い毛構
造 (E) は平均 -2.29（標準偏差 0.83）という結果が得られた．他にも，「-3: なめらか 〜 +3: 粗い」，「-3: 親しみにくい 〜 +3: 親しみやすい」，「-3: 悪い 〜 +3: 良い」についても差が見られた．しかし，

図 8. 毛の長さが異なる場合（A–B，A–C）の平均と標準偏差「-3: やわらかい 〜 +3: かたい」の質問についてのみ，差はほとんど見られなかった．
図 10 より，造形に使用する材料を変えた毛構造では，印象についてあまり大きな変化は見られなかった．材料の特性の違いから，「なめらか〜粗い」「やわらかい〜かたい」等の項目で若干の分散は見られるが，毛の長さや間隔を変更した場合と比較すると，印象の差は小さい．

5.4

考察毛の長さに関する実験結果から，毛が長いほどやわらかさを感じ，短いほど硬く感じる傾向を確認できた．また，やわらかさだけでなく，なめらかさな
どの触感の印象を変えたい場合も，毛の長さの変更が有用であると考えられる．毛の配置間隔を狭め，密度を高めることによって，力強い印象を受けることが確認できた．毛の配置間隔を広くすることで，毛の密度が低くなる．これによって，撫でた時に指に触れる毛の本数が減少し，軽くまたは弱弱しくを感じる傾向を確認できた．
毛の長さを変えた場合とは異なり，毛の配置間隔を変えた場合では，かたさの印象について差がでな
いことがわかる．さらに，材料を導電性／磁性に変えた場合でも，触感に大きな変化を与えないと考えられる．
評価実験の結果は，今後毛構造を用いたアプリ
ケーションの実装に活用できると考える．例えば，
毛を撫でてリラックスするためのデバイスを作りたいユーザには，やわらかい／なめらかな触感を重視
して，「毛を長くする／毛の密度を高くする」等の設定を推薦できる．

6
6.1

制作例
導電性の毛構造を使った接触検知

導電性の毛に接触することで LED が点灯する作例を図 11 に示す．使用した毛構造は触れた際にやわらかい印象を得られるように，毛を 80 mm と長めに造形した. 静電容量の測定には Arduino のCapacitiveSensor ライブラリを用いており，手が接図 9. 毛の間隔が異なる場合（A–D，A–E）の平均と標準偏差

図 10. 毛の素材が異なる場合（A–F，A–G）の平均と標準偏差WISS 2023

触することによる静電容量の変化を検出している．
この制作例では，3 つの状態（触れていない状態，指が触れている状態，指が多く触れている状態）を検出することができる．現状では，指で撫でる際の位
置や方向の検出はできていないが，毛構造と回路が接触する部分を工夫することによって可能になると考える．毛構造等をトラックパッド等に固定して，撫でた位置や方向を検出するようなインタラクションに応用できると考える．

そのため，毛構造を手足などの湾曲した部分にも貼り付けることが可能になった．図 12 右では，毛の部分が磁性フィラメント，土台部分がソフトレジンの毛構造を手のひらに両面テープで貼り付けている．
このようにすることで，磁石を近づけた際に，磁力による引き付けられる触覚を毛が集まる様子だけでなく手のひらの感覚で感じることができる．磁石を動かすことで，磁石の位置に伴う磁力の変化も感じることができた．

図 12. 磁性フィラメントを使用した制作例

7

図 11. 毛への接触による LED の点灯および静電容量
の変化

6.2

磁性を持つ毛を筆にした例

磁性の毛構造と永久磁石を使った作例について紹介する．まず，平筆のような形状の毛構造を棒状の立体物に取り付けた．次に磁石を一定間隔で配置できるボードを 3D プリントで作成した．ブラシを手に持ち，磁石が一定間隔で配置されたボードの上を筆でなぞることで，ボードの磁石に毛先が引き寄せられる (図 12 左)．そのため，ブラシでボード上の記号をなぞる際に部分的な抵抗感がある触覚を表現することができる．この抵抗感を感じる仕組みを利用して，埋め込む磁石の位置や磁力の大きさを制御することによって，特定の文字やパターンによる触覚をユーザに提示するアプリケーションの設計が可能であると考える．

6.3

ソフトレジンに埋め込んだ磁性フィラメント

毛構造をソフトレジンに埋込むことで，毛構造の土台部分を柔軟に扱うことができるようになった．

まとめと今後の展望

本研究では，3D プリントによって造形可能な毛構造を用いた情報提示手法の構築を目指し，そのために毛構造へ導電性／磁性を付与するための方式，
ソフトレジンに植毛する方式を提案した．毛構造は3D プリントによって，情報提示の目的に合わせて自由に触感を変更することができるため，制作物への没入感を向上させることにつながる．提案した方式を元に，毛構造を電子的に制御可能な新たなインタラクティブ・コンポーネントとして確立していきたい．

謝辞
本研究の一部は，科研費 20H04231 の支援を受
けた．

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