ハプティクス技術完全ガイド：定義、実装方法、実世界での応用例

「ハプティック」という用語は、ギリシャ語の「haptikos（触覚の感覚を意味する）」に由来します。触覚は能動的と受動的に分類できます。ハプティクスは主に、コミュニケーションや物体認識のための能動的な触覚に関連しています。

触覚を伴うあらゆる形式の相互作用を指す場合があります。例えば、

• 非言語コミュニケーションの分野では、ハプティクスは動物や人間が触覚を通じてコミュニケーションし相互作用する方法を指します。
• 知覚の観点では、ハプティクスは文字通り「何かを把握する能力」を意味します。
• 技術において、ハプティクスは力、動作、振動をユーザーに適用することで触覚体験を創造することを指します。

この記事では、ハプティクスの歴史、実装、応用を含む技術的側面に焦点を当てています。基本から始めましょう：ハプティクスとは実際に何なのか？

定義： ハプティクスは、コンピュータアプリケーションとの人間の相互作用に触覚と制御を適用する科学です。ハプティックデバイスは、ゲームコントローラーやジョイスティックなどの入出力デバイスを通じて、ユーザーとコンピュータの間の物理的接触を伴います。

ハプティクスはどのように実装されるか？

ハプティック技術は2つの方法で実装できます：振動と力覚フィードバック

1. 振動： ほとんどの電子デバイスは振動によってハプティックフィードバックを提供します。振動は通常、ドライブシャフトにアンバランスな質量を持つ電気モーターによって生成されます。シャフトが回転すると、不規則な質量が回転し、接続されたデバイスを振動させます。

iPhoneやMacBookなどの最新デバイスは振動を使用してハプティックフィードバックを提供します。しかし、電気モーターの代わりに磁気ボイスコイルを使用して振動を生成します。質量が往復運動することで、より短い応答時間と精密なハプティック映像を提供します。

2. 力覚フィードバック： 多くのデバイスは、ユーザーが保持するオブジェクトの動きを制御するためにモーターを使用します。運転支援システムとレーシングビデオゲームが、このようなデバイスの最良の例です。ハンドルを回し、アクセルやブレーキを押して、実際の車両を運転する際に体験する力をシミュレートします。

応用

ハプティック技術の初期バージョンは、エラー検知ネガティブフィードバックシステムを備えた大型飛行機で最初に利用されました。これらは、オペレーターが「感じて」見えない障壁を回避できるように、危険な飛行状態の警告を提供するために使用されました。

Aura Interactor力覚フィードバックベスト | Image credit: Wikimedia

1970年代初頭、ベル電話研究所で最初の触覚通信システムが開発されました。20年後、着用型力覚フィードバックデバイスと個人用ハプティックインターフェース機構を備えたシステムが開発されました。

今日、ハプティック技術はロボティクス、医療、バーチャルリアリティなど、数十の応用を持っています。

1. デスクトップとモバイルデバイス

iPhoneに埋め込まれたタクティックエンジン | Image credit: iFixit

AppleはMacBookシリーズでタクタイルタッチパッドデザインを導入しました。2015年、同社はすべてのMacBookに「Force Touch」トラックパッドを搭載し、タクティックエンジンでクリックをシミュレートしました。このフォースタッチ技術は圧力センサーを使用して、Appleデバイスに別の入力方法を追加します。

ほとんどのスマートフォンは触覚フィードバックを使用して、ユーザーに「タッチ」が受け入れられたことを知らせます。一部のデバイスは、タッチスクリーンや他の物理的表面にハプティック効果を生成する表面ハプティック技術を使用します。

さらに、触覚ディスプレイデバイスは触覚を使用してグラフィカルおよびテキスト情報を提供します。これらは聴覚障害者や視覚障害者の支援に非常に役立ちます。

2. ビデオゲーム

Xbox OneコントローラーはImpulse Trigger技術を搭載

アーケードゲームの「Fonz」などが、1970年代半ばにハプティックフィードバックを使用し始めました。20世紀末までに、ジョイスティック、ゲームコントローラー、ステアリングホイールなどのハプティックデバイスが一般的になりました。

今日、いくつかのジョイスティックとコンソールコントローラーには、マイクロソフトのImpulse Trigger技術やソニーのDualShock技術など、内蔵フィードバックデバイスが搭載されています。

2018年、Razerは広帯域ハプティックドライバーを搭載したワイヤレスヘッドセット「Nari Ultimate」を発表しました。ソニーもPlayStation 5コントローラーでトリガーコントロールの抵抗を含め、より正確なハプティックフィードバックを可能にすることを検討しています。

3. 自動車と航空

ハプティックフィードバック技術は、車両のダッシュボードに搭載された大型タッチスクリーンコントロールパネルにも統合されています。タッチコマンドの確認応答を提供することで、ドライバーが道路から目を離す必要がなくなり、安全性が向上します。

また、制限速度超過時のアラート振動パターンなど、追加のハプティック情報も提供します。

航空業界も、飛行包絡境界によって操縦性がどのように影響されるかを伝えるためにハプティック技術を採用しています。ハプティックシステムは力と剛性のフィードバックを使用して、失速、オーバースピード、過負荷などの危険な飛行状態にパイロットが陥るリスクを軽減します。

4. ロボティクス

テレプレゼンスを通じて複雑なタスクを実行するために、ハプティクスと呼ばれる新しいロボット制御技術が開発されています。例えば、手術ロボットは医師が世界の反対側から手術を行ったり、手では小さすぎたり狭すぎたりするアイテムを操作したりすることを可能にします。

いくつかの研究で、ロボットの制御にハプティックフィードバックを組み込むことで精度が向上し、組織損傷が減少することが示されています。また、医師が仮想現実上にのみ存在する患者で訓練しながら、実際の切開と縫合の感覚を得ることもできます。

このタイプのロボットは、災害からの人々の救出、爆弾処理、宇宙遊泳の準備なしでの宇宙船機器の修理など、さまざまな状況で役立ちます。

研究者たちは、実際の物体がユーザーの皮膚を押すのと同じように、ユーザーの皮膚に押し付ける120個のマイクロ流体アクチュエータを備えたハプティックグローブを開発しました。高度な人型ロボットハンドに装着すると、温度、力、振動など、人間の指先が感じられるすべてを感知できます。

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5. 医療

Whole Hand Haptics | Credit: Center for image analysis

医療分野では、ハプティックインターフェースは侵襲的手技の訓練（インターベンショナルラジオロジー、腹腔鏡手術など）や歯科学生の訓練に使用されます。

画像分析センターは10年以上この分野で取り組んできました：ステレオ視覚と高忠実度ハプティックフィードバックを組み合わせたHASPシステムを開発し、骨片復元の術前テストを可能にしました。

また、柔軟なハプティック彫刻ツール、視覚的組み立てのためのハプティックアライメントツール、真の3Dディスプレイを備えた全手ハプティクスも設計しています。

6. バーチャルリアリティ（VR）

NeoSensoryのハプティックジャケット

VRハプティクス技術は、視聴覚知覚に加えて触覚を通じてユーザーが仮想環境を感じられるようにすることで、人工世界にさらなる次元を提供します。

多くの企業が、トルソーまたは全身ハプティックスーツなど、興味深いハプティック製品を発表し、真に没入感のある体験を提供しようとしています。

例えば、Disneyは着用者に物理的体験をシミュレートするForce Jacketを開発しました。バルブシステムで26の空気室を膨張・収縮させる5ポンドのソフトウェア制御ジャケットです。ゲームとエンターテインメント業界での使用を想定して設計されています。

NeoSensoryという別の企業は、着用者が掠めた壁、別のアバターのタッチ、ハグ、雨粒、銃声、さらには爆発を感じられるハプティックジャケットを開発しています。

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総じて、ハプティック技術の未来はテレオペレーションとシミュレーターに限定されません。代わりに、人間の経験全体に統合されています。これまで体験できなかったことを、より多くの人々が体験できるようになるでしょう。