ハプティクス

ハプティクス：触覚をデジタルで再現する技術

ハプティクス（haptics）とは、力、振動、動きといった機械的な刺激を利用し、利用者に皮膚感覚フィードバックを与えるテクノロジーです。触覚技術とも呼ばれ、コンピュータシミュレーションで仮想オブジェクトを生成・操作する際や、機械の遠隔制御を強化する際に役立ちます。ハプティクスは「視覚におけるコンピュータグラフィックスのように、皮膚感覚で情報を提供する」と表現されることもあります。

ハプティクスの原理と応用

ハプティクスデバイスには、ユーザーが加える力を測定するセンサーが組み込まれていることがあります。この技術を活用することで、触覚を伴う仮想オブジェクトを微妙に制御でき、人間の触覚の仕組みを研究する道が開かれました。これにより、これまで難しかった人間の触覚機能の体系的な分析が可能となり、触覚と脳機能の関連性を理解する上で重要な役割を果たしています。

ハプティクスという言葉は、ギリシャ語の「触覚に関する」という意味の「haptikos」に由来し、「触る」を意味する動詞「haptesthai」が語源となっています。

ハプティクスの歴史

ハプティクスの初期の応用例としては、航空機の動翼を操作するためのサーボ機構が挙げられます。初期のシステムは、動翼に加わる外力を制御側で感知することが困難でしたが、ばねや錘を用いて外力を模擬する手法が導入されました。さらに、航空機の失速をパイロットに知らせるための「スティックシェイカー」もハプティクスの応用例の一つです。油圧ショベルにもハプティクスが応用され、土砂中の障害物を操縦者に伝えることで作業効率を向上させています。

1973年には、トーマス・D・シャノンが触覚電話の特許を取得し、ハプティクスの可能性を示しました。

ハプティクスの設計

ハプティクスでは、アクチュエータを用いて触覚フィードバックを生成したり、コントローラーに力を加えたりします。アクチュエータは電気信号に応じて機械的な動きを生み出します。初期の触覚フィードバックは振動モーターなどの電磁技術を利用していましたが、より複雑な触覚を再現するために、人工筋肉、圧電式、静電式、亜音速音響波によるサーフェスアクチュエーションなど、新しいアクチュエータ技術が開発されています。

初期のシステムでは、デバイス全体を振動させることが多かったのですが、第二世代の触覚制御アルゴリズムとチップによって、位置ごとに異なる応答を生成できるようになりました。また、アクチュエータを使用しない新たな技術として、reverse-electrovibration が開発されています。この技術は、身体に微弱な電流を流し、指先の皮膚周辺に電界を発生させることで、アクチュエータなしで振動する触感を作り出します。

ハプティクスの実用例

遠隔操作とシミュレータ

遠隔操作や遠隔制御ロボットにおいて、接触力を操縦側に伝える技術は「触覚遠隔操作」と呼ばれます。世界初の電気駆動の遠隔操作機械は、1950年代に放射性物質を取り扱う目的で開発されました。その後、水中探査機など様々な遠隔操作機械でフォースフィードバックが活用されるようになりました。

コンピュータシミュレーションで遠隔操作機械を再現する際には、実際の操作で得られるフォースフィードバックを再現することが効果的です。ハプティクスを活用することで、触覚データを保存・再生でき、医療シミュレータやパイロット訓練用フライトシミュレータなどの分野で役立っています。

ビデオゲーム

ハプティクスは、特にレースゲームなどのアーケードゲームで広く利用されています。初期の例として、1976年のセガのバイクゲーム「Moto-Cross」では、接触・衝突時にハンドルが振動する機能が搭載されました。1983年には、辰巳電子工業の「TX-1」でフォースフィードバックが導入されました。

単純なハプティクスは、ゲームコントローラーやジョイスティックにも採用されています。初期の例としては、NINTENDO64の「振動パック」が挙げられます。その後、ソニーのDUALSHOCKのように、コントローラーにフィードバック装置が組み込まれるようになりました。また、自動車のハンドル型コントローラーでは、道路の状態をハンドルから感じられるように工夫されています。

マイクロソフトは、ForceFeedbackジョイスティックシリーズを発売し、ゲーム内の衝撃を反動で表現できるようにしました。ノビントがリリースしたFalconは、高解像度の3次元フォースフィードバック機能を備え、オブジェクトの感触や動きをシミュレートできます。

パーソナルコンピュータ

2013年、ミネベアは触覚フィードバックを実現したキーボード「COOL LEAF」を発表しました。Appleは2015年にMacBookとMacBook Proに感圧タッチトラックパッド「Force Touch」を導入しました。また、レノボも2020年にYOGA Slim 950iのタッチパッドにハプティクス機能を導入しています。

携帯機器

ハプティクスは携帯電話にも広く採用されており、画面のタッチ操作に対する振動フィードバックが一般的です。LGやモトローラなど、各メーカーが独自の触覚技術を採用しています。

2015年に発表されたiPhone 6s/6s Plusには、圧力検知機能の3D Touchと触覚フィードバック機能のTaptic Engineが搭載されています。

バーチャルリアリティ

ハプティクスは、バーチャルリアリティ（VR）システムにおいて重要な役割を担っています。視覚だけでなく触覚も加えることで、よりリアルなVR体験が可能になります。スタイラスベースの触覚再現が一般的で、3Dモデリングやデザイン分野でも活用されています。

東京大学では、3Dホログラムに超音波による触覚フィードバックを与える研究が行われています。

ハプティクスの研究

高速振動などの刺激を用いて、さまざまな触感をシミュレートする研究が進められています。格子状に配置された振動ピンで表面を触ることで、さまざまな触感を表現する試みも行われています。これらの研究によって、現実味のある触感はまだ再現できていないものの、触感の識別には有用であることが示されています。

ハプティクスAPIとして、Chai3D、OpenHaptics、H3DAPIなどが開発されています。

医療分野への応用

医療シミュレーションのためのハプティクスインターフェースは、腹腔鏡検査などの低侵襲手術の訓練に特に有効です。遠隔手術にも応用され、外科医の負担軽減に役立っています。また、リハビリテーション用ロボットにも活用されています。

オハイオ大学では、ハプティクスを用いた医療シミュレーション「Virtual Haptic Back (VHB)」が導入され、触診の学習に効果を発揮しています。さらに、ハプティクスは義肢や装具にも応用され、装着者に必要なフィードバックを提供するための研究が進められています。

Psyonic社は、触覚フィードバック機能を備えた人工義手「Ability Hand」を製品化しています。

ロボット分野への応用

「Shadow Hand」は、人間の手の複雑さや繊細さを再現するロボットハンドであり、触感、圧力、位置などを感知できます。このロボットハンドは、カーネギーメロン大学やドイツのビーレフェルト大学で触覚研究に利用されています。

MITのThomas Massieが開発した「PHANTOM」は、バーチャルリアリティ内のオブジェクトに触れる初期技術として知られています。

アートとデザイン

ハプティクスは、仮想オブジェクトとのリアルタイムな相互作用を可能にし、音響合成やグラフィックデザイン、コンピュータアニメーションなどのバーチャルアートでも活用されています。アーティストはハプティクスデバイスを通じて、仮想楽器や仮想の表面と直接的に触れ合うことができます。

有名なアーティストとして、Christa Sommerer、Laurent Mignonneau、Stahl Stenslieなどが挙げられます。

将来の展望

ハプティクスは、今後ますます人間とテクノロジーの相互作用において重要な役割を果たすと考えられます。ホログラムや遠隔オブジェクトとの触覚的なインタラクションが実現すれば、ゲーム、映画、製造、医療など、様々な産業での応用が期待されます。また、遠隔医療やオンラインショッピングなど、これまで現実的でなかった新しい産業が生まれる可能性もあります。

ホログラフィーとの相互作用

東京大学の研究チームは、ホログラフィーの投影に触覚フィードバックを加える研究を行い、ホログラムに触れているかのような感覚を生み出すことに成功しました。この技術は、超音波の音響放射圧を利用しており、特別なグローブなどの装着を必要としないため、実用性が高いと期待されています。

将来の医療への応用

医療分野では、遠隔手術へのハプティクスの応用研究が進められており、専門医が場所を問わず手術を実施できるようになる可能性があります。ハプティクスは、遠隔手術において外科医にリアルタイムな触覚フィードバックを提供します。

手術のシミュレーション技術も開発が進められており、外科医や外科学生は、より多くのトレーニング機会を得ることができます。ハプティクスは、シミュレーションにおいてリアルな触感を再現するのに役立ちます。

ボストン大学の研究によれば、靴の内底を無作為に振動させることで、加齢によるバランス制御の衰えを改善できる可能性も示唆されています。

脚注

（参考文献、外部リンクなどは省略）

ハプティクスは、様々な分野で可能性を秘めた技術であり、今後の発展が期待されます。

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