１. はじめに

触覚センサの研究は、視覚、 聴覚と比べて遅れている¹⁾。これは視覚、 聴覚センサが検出器レベルを過ぎ認識など情報処理レベルが主なのに比べ、まだ触覚センサは検出方式レベルの研究が多く、応用への取り組みが未開拓な感覚である。
触れることは人間にとって最も基本的な動作であり、物を掴んだり操ったりする動作では触覚の重要な役割がある。ロボティクス分野において、より高い機能の実現や安全性のため、触覚は無くてはならない感覚である。また人間において触覚は、コミュニケーション手段としても大切な役割を担っている。近年タッチパッド などで触覚を用いた操作が当たり前のようになってきた。このように、より直感的で使いやすい情報機器の利用には触覚は必要不可欠である。本解説では、触覚の役割とは何か、最近の研究開発動向、そして触覚センサに望まれる機能について解説を行う。

２. なぜ触覚か

最近の触覚技術への注目は、触覚の特徴を生かした次のような利用への期待があると考える（図１）。

（１） 触覚を付加することで、新たな価値を導入し、商品の差別化・高級化を図る。
（２）より自然なインターフェースを実現する。すなわち、視覚･聴覚･触覚の融合により、「見て、聞いて、触れる」、「見て触って操作する」ことを目指す。
（３）人工の皮膚を実現する。薄型で伸縮性のある触覚センサを実現させ、ヘルスケア、スポーツ、ゲームでの利用、ウェアラブルセンサなどＩＯＴ機器への応用を目指す。また触れて認識し、巧みな制御を行う人工の手を実現する。人工の手による巧緻な作業の実現は、これまで人間でしかできなかった各種作業を代替し、社会に革命的な展開をもたらす。

最近、触覚センサは大きな進展がみられる。センサ開発では、有機トランジスタなどを用いた印刷技術や、導電性高分子繊維などを用いた織物技術など、従来とは異なる技術を用いた「E-skin」²⁾³⁾、「E-textile」⁴⁾の研究開発が増えてきた。これらは従来にない薄型で伸縮性のある触覚センサを実現させ、印刷技術などで製造した安価なセンサの利用が進む可能性がある。これらの利用分野は、ヘルスケア、スポーツ、ゲームでの利用など従来分野とは異なる広がりを見せている。またロボティクス分野ではディープラーニングなどでの触覚の利用が増加している。これは多指ハンドによる巧緻な作業では、視覚と触覚の協調により、ロバストで、より高性能な操りが可能となるためである。

また、触覚を空間的に拡張する近接覚の開発が盛んになってきた。触覚は接触するまで検出できない。しかし、近接覚と統合することでセンサから離れた物体を検出できる。視覚は手前にある物体が背後にある物体を隠すオクルージョンの欠点がある。近接覚は、この欠点を解消し、接触して検知する触覚までをシームレスにつなぐセンシングシステムを実現する。

３. 触覚センサの構成

図２に触覚センサの構成を示す。センサは、１）接触力を電気量に変換する変換器（検出素子）、２）電気量の検出回路、３）信号・情報処理回路、４）信号伝送回路から構成される。
変換器は、外力による機械的構造の変形（歪み）を、抵抗、静電容量などの電気量に変換する。この変換部のみを狭義の触覚センサと呼ぶこともある。ロボットは厳しい電気ノイズ環境下で使用するため、センサ内部で信号処理を行い、ノイズに強い方式を用いて伝送する。これらの局所的情報処理はMPUなどを用いて局所的に実行し、適切な方式で伝送することが、S/N 比を高め、省配線化を進めるため重要である。

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【著者略歴】
下条　誠（しもじょう　まこと）
1976年　東京工業大学 総合理工学研究科 精密機械システム専攻修了
1976年　通商産業省工業技術院　製品科学研究所
1985年 – 1986年　スタンフォード大学 客員研究員
1993年　通商産業省工業技術院　生命工学工業技術研究所
1997年　茨城大学工学部情報工学科 教授
2001年　電気通信大学 知能機械工学専攻 教授
2016年　東京大学 大学院情報理工学系研究科 特任研究員
現在に至る

専門分野
ロボティクス・メカトロニクス研究、特にロボットハンドと触覚センシングの研究を行っている。具体的には、視覚と触覚情報を補完する近接覚センシング、薄く柔軟なすべり覚センサの研究、これらセンサを取付けたロボットハンドの研究開発など。

1. はじめに

　俗に人間の五感といえば、一般的には目、耳、鼻、口、皮膚を介して感じる感覚、いわゆる視・聴・匂・味・触感覚である。
このなかで視・聴・匂・味感覚は身体上の特定部位で電磁波や空気圧、化学物質を検知する極めて特殊な感覚機能であり、筆者が大学でおこなうバーチャルリアリティの講義では、図1に示すように、この四つの感覚に加速度や回転速度を検知する平衡感覚を加えて五つの感覚を特殊感覚と分類する。そして、皮膚触覚、さらに腕や足の関節の角度から感じられる手足の位置姿勢や関節・骨格に作用する外力を感じる身体感覚、さらには、内臓の痛みや空腹などの内臓感覚をまとめて、一般感覚、あるいは、体性感覚と区別する。バーチャルリアリティでは、この体性感覚と特殊感覚の中の平衡感覚に関する感覚情報を用いたシステムを、Haptic（ハプティック）システムとよび、IEEE Haptics SymposiumやWorld Hapticsなどの規模の大きな国際会議やジャーナルを擁する一つの研究分野として確立している。

視聴感覚はその感覚受容器である目や耳の構造と機能の解明が進み、CCD素子やマイクとして人工感覚が再現されている。一方で、本稿で対象とする触覚は、皮膚表面に存在する機械的刺激受容器が発見され生理学的にその機能も解明されているが、人間の触覚機能を十分に模擬できる触覚センサの開発が未解決であり、必然的に、硬さ、粗さ、粘り、等の複雑な”感触”、いわゆる”触り心地”という高度な触認識機能の解明や産業応用にはいまだ十分には至っていない。本稿では触覚技術の実用化を目指して開発が進むMEMS触覚センサの開発について紹介しその可能性を示す。

2. ヒトの触覚の仕組みとその再現

　人間の皮膚表面の断面の模式図を図2に示す。

皮膚には接触による機械的な刺激を検知する触覚受容器として、皮膚直下に分布するメルケル触覚盤とマイスナー小体、さらには、比較的深部に位置するルフィニ小体、パチニ小体、さらにこれに加えて、体毛の基部で体毛の動きを検知する毛胞受容体、さらには、痛覚や温覚にかかわる自由神経などがセンサであると言われている。
四つの機械受容器は特に応答する機械刺激と時間的な応答によって、それぞれが特徴的に反応する。いわば、これらが眼球の網膜における桿体や錐体などの光に応答する受容器に相当し、視覚における眼球に入射する光が最終的に映像として認識されるしくみと同様の処理が触覚でも成されていると考える。つまり、複数の機械受容器から得られる信号によって、豊かな触感覚や器用な物体操作の礎となる触覚が生成されるヒトの触覚モデルが構築される可能性が高い。生理学的見地からこれらの機械受容器がヒトの触覚において極めて重要な役割を果たしていることは揺るぎない。
しかしこのモデルは、極細い毛先で皮膚に触れて、単独の感覚受容器だけを微細に刺激した結果として、ぎりぎりで生じる触知覚の閾値での応答から構築された、極めて感覚原子論的なモデルといえる。要素分解された原子論的モデルは工学的には論理的である、つまり触覚センサの研究の応用として、先に述べた人間の持つ豊かな感触の中でも特定の機械的特性、例えば”表面粗さ”のみを計測するセンサを実現するならば、これらの感覚モデルに基づいて、その特性のみを計測するセンサの開発に繋げることはさほど困難ではない。
しかし、日常で我々がモノに触れるときには、広い接触面により大きな機械的刺激が作用しており、単独の感覚器をわずかに刺激する”閾値”よりも遙かに大きな”閾上”と呼ばれる状況にある。さらに、人間の触覚とは、機械的な皮膚の振動の知覚の組み合わせから、触れた対象物の”触り心地”として認知される極めて豊で広範囲な感覚であり、その仕組みは未だ十分に解明されていない。その一つの理由は、先に述べたように、人工的な触覚センサが、その計測能力やそのサイズ、実装密度の面で人間の触覚受容器を充分に模擬できていないためである。

以降では、このような背景において、ヒトを越えるための触覚を再現することを目指し、開発を進めているMEMS触覚センサ技術と、この触覚センサモジュールを神経ネットワーク構造に接続し、深層学習のアプローチを用いて人間のような感覚機能を実現する研究について述べる。

次週に続く－

謝辞
本稿のMEMSに関する図面は共同研究者である新潟大学寒川雅之准教授から提供を受けた。

【著者略歴】
野間　春生（のま　はるお）
立命館大学 情報理工学部 情報理工学科 実世界情報コース
メディアエクスペリエンスデザイン研究室

1994年3月　筑波大学大学院　博士課程　工学研究科構造工学専攻修了　博士（工学）取得
1994年4月　株式会社国際電気通信基礎技術研究所　入社
2012年12月　株式会社国際電気通信基礎技術研究所　退社
2013年1―3月　Worcester Polytechnic Institute 客員研究員
2013年4月　立命館大学　情報理工学部　教授

学会役職
日本バーチャルリアリティ学会　理事（2019年−）

専門分野・研究テーマ
バーチャルリアリティ、触覚インタフェース、ウェアラブル＆ユビキタスインタフェース

1.はじめに

IoT技術の浸透により、実世界から集められたデータを利活用した新たなサービスが様々な分野で生み出されている。特に情報環境と実世界を繋ぐインタフェースは産業創出の要となる技術である。例えばスマートフォン等の普及により実世界から膨大な量の画像・音声データの収集が可能となったが、そのデータの利用によって初めて実現された新たなアプリケーションの例は枚挙にいとまがない。

一方、視覚や聴覚に並ぶ五感の一つである触覚についてはどうだろうか。何かに触れた時の力を感じ取る触覚を記録・再生するためのインタフェースとしてロボットが第一に挙げられる。2015年に公表された我が国のロボット新戦略¹⁾では、ITと融合した、言わば情報環境と実世界を繋ぐデバイスとしてロボットを発展させる方針が示されている。また、近年協働ロボットが急速に市場を拡大するのにともない、人とロボットが一緒に作業を行うケースが増えている。そして人とロボットの協働作業を通じて技能運動のデータを集め解析する試みも始まっている。このように人と情報環境を繋ぐインタフェースとしてのロボットへの期待は大きいが、ここで鍵となるのは力計測の技術である。