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触覚・触感に関わる計測技術

東北大学 大学院 医工学研究科

教授 田中 真美

東北大学 大学院 工学研究科

准教授 奥山 武志

触覚とは・・

五感の一つ

皮膚を通して感じる 機械 的刺激（圧力、暑さ、寒さ、痛みなど）

皮膚：最も大きな感覚器官（最も大きな感覚器：成人は平均1.8平方メートル、4kg）外皮機能は胎児9週目から、赤ん坊は手や口で判断

触れることは能動的かつ受動的○自分からモノに触れる○衣服を着る、虫が触る

作用反作用の法則に支配される⇒ 相手の変形等の情報も必要 （他の感覚と異なる）⇒ 記録・再生技術が困難

（G. M. Shepherd, Neurobiology改訂）

自由神経末端 パチニ小体 メルケル盤 マイスナー小体

種類 温度、痛み 接触ー振動 接触ー圧 接触ーゆらぎ

反応刺激 冷たさ、つままれた痛み、温かさ、ひりひり（した痛

み）

圧・振動（250～300Hz)

接触・圧 接触・振動（30～40HZ)

順応性 とても遅い とても速い 遅い 速い

ヒトの皮膚無毛部の触覚受容器

感性量（質感・手触り感）等の情報を収集が可能

触覚・触感

ヒトの指：触れるだけでなく撫でる擦るなどの動作

触覚： 五感の一つ、人間の生活において必要不可欠な感覚、他の感覚と違い大きな面積のため機能全てを失うことはほとんどない。⇒ 他の感覚の代わりになりうる

手触り感

極めて複雑かつ曖昧な主観的な感覚量。また、経験に大きく左右され、熟練者と一般の人の評価の差が大きいことが医療（触診）や工業、様々な分野などで報告されている。 3/10

触覚・触感

にかかわる計測技術

ヒトの指のような駆動機構・熟練者のような指の動作／

触動作

皮膚感覚器官と同様の

反応をするセンサ素子

ヒトの感覚器官の

特徴等を用いた

信号処理

高分子圧電材料を用いたセンサシステムの開発

機能性材料（スマート材料）の一つ

圧電効果

力を加える ⇒ 変形

高分子圧電材料PVDF（ポリフッ化ビニリデン）厚さは28マイクロメートル

⇒ 電圧が生じる

PVDFフィルムとパチニ小体の出力特性

(a) 圧刺激

(b)パチニ小体の出力応答

パチニ小体の出力特性PVDFフィルムの出力特性

（G. M. Shepherd, Neurobiologyより）

PVDFを触感センサのセンサ材料として使うことが有効なのではないか？

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対象の特性とそれに対する探索的行為

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触覚感性を計測するロボットフィンガシステム構成

A/D Card

PVDF output

Computer

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PVDF出力波形の一例

接触力：0.20N

試料１

試料２

試料３

試料４

試料５

試料６

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パワースペクトル密度分布（周波数解析）

試料１

試料２

試料３

試料４

試料５

試料６

接触力：0.20N

信号処理

2000

100

500

100)( , )( 　,

fb

fa

b

a fPSfPSSSRs

・ 100~500Hzのパワースペクトル密度の分布比 Rs

・ 振幅の大きさの評価 Var

ヒトの触覚受容器の特性を考慮した信号処理を用いて

振動感評価に用いるセンサ出力を求める。

マイスナー小体パチニ小体

パチニ小体とマイスナー小体の応答特性

パチニ小体とマイスナー小体の応答特性

（G. M. Shepherd, Neurobiologyより）

2

1)(

11 N

ixix

NVar

N ：1s間のPVDF出力のデータ点数（N=5000）x(i)：i番目のPVDF出力，：PVDF出力の平均

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Var – Rs 分布図接触力：0.20[N]

-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

-2 -1 0 1 2

“じっとりウェット感”

“ふんわりやわらか感”

試料１

試料２

試料３

試料４

試料５

試料６

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.2 0.4 0.6

Var (×10-6)

Rs

試料１

試料２

試料３

試料４

試料５

試料６

相関係数Rs とふんわりやわらか感 - 0.79

Varとじっとりウェット感 - 0.81

Rubber 6

生体硬さ計測用指装着型能動センサ

計測する人の指先に取り付け、対象物にあてた後、モーターで駆動し一定の押し付け動作を実現し、出力により硬さを計測する。

0 0.05 0.1

–0.01

0

0.01

Time [s]

PVD

E ou

tput

[V]

硬さ：ヤング率0.45×105 [N/m2]

(健常組織)

0 0.05 0.1

–0.01

0

0.01

Time [s]

PVD

E ou

tput

[V]

硬さ：ヤング率

7.58×105 [N/m2](がん組織)

計測はセンサをつけた手にグローブをはめて、センサと加振機（モータ）を用いて行われる。

計測システムと検証実験結果

シリコーンゴムを対象とした検証実験

患者 前立腺の状態 F [N] μ [mV] Imax [mV] Imin [mV]

A 正常 0.436 6.64 7.84 5.18

B ほぼ正常 0.404 7.34 9.36 5.90

C 正常と肥大症の中間 0.382 13.91 20.00 9.35

D 癌の治療中 0.357 13.47 25.76 8.29

E 結石が存在 0.522 21.20 22.79 19.99

F 結石が存在 0.455 19.00 26.04 12.89

G 結石が存在 0.368 9.72 18.78 7.12

※1 患者Dは触診による硬さの判別が困難

※2 患者Gは正常状態の硬さであるが，ある一点にのみ結石が存在

臨床実験結果

前立腺の状態によって出力値が異なり，センサを用いた病状診断に役立つ

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乳幼児

皮膚が薄い

抵抗力が弱い

意志伝達能力が未発達

触刺激の影響を受けやすい

紙オムツを着用した際の触刺激がオムツかぶれ等の

非アレルギー性接触皮膚炎の原因となる場合がある

コミュニケーションを通じての触刺激の評価が困難であり、官能評価などでの評価は不可能

触刺激と非アレルギー性接触皮膚炎の関係を解明するためには

触刺激の定量化が必要である

受動的な触刺激の定量化～ 擦れや締め付け感の計測 ～

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触刺激測定装置 特許第537658 東北大学 田中 真美、奥山 武志

計測概観

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• PVDFフィルム

– 柔軟な機械特性

– 広い周波数応答

– 圧力変動に対して，出力を生じる

• ひずみゲージ

(厚さ0.1 mmのアルミ板に貼り付ける)

擦れによる比較的高い周波数の圧力変動を測定

押し付けによるひずみを測定

センサ構造

表面接触層が受ける触刺激の測定を行う

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触刺激計測用測定システム

乳幼児の胸部下から膝上までを模擬したドールを使用歩行動作を行い測定を行う

センサ貼り付け位置紙オムツのギャザーが当たる位置

センサ表面接触層センサA : ポリエチレン製テープセンサB : レース

ポリエチレン製テープ表面形状

10 mm

表面に1 mm間隔で微小な凹凸がある

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実験方法

この部分を把持し，手動で前後に動かす

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ドール実験(測定の様子)

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測定結果 (ひずみゲージ出力)

(a) センサA，オムツ未着用 (b) センサA，オムツ着用

オムツ着用状態において，より大きな出力が得られている

紙オムツによる締め付け（押し付け）を確認できる

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測定結果 (PVDF出力)

(a) センサA，オムツ未着用 (b) センサA，オムツ着用

左足の動作に対応した周期的な出力が得られている

動作に対応した周期的な出力は小さくなっている

未着用状態より高い周波数の振動が含まれている

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解析結果 (PSD計算結果)

(a) センサA，オムツ未着用 (b) センサA，オムツ着用

オムツ着用の有無により，PSDの分布範囲が異なっている

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各周波数から2000HzまでのPSDの総和

2000

fsffPSDonPSDsummati

0.0E+00

1.0E-04

2.0E-04

3.0E-04

4.0E-04

5.0E-04

6.0E-04

0 500 1000 1500 2000

fs [Hz]

PSD

sum

mat

ion

A-未着用A-着用

fPSD :周波数 f [Hz]におけるパワースペクトル密度の値

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各周波数から2000HzまでのPSDの総和

50Hz~400Hzでオムツ着用時のPSDが増加

0.0E+00

1.0E-04

2.0E-04

3.0E-04

4.0E-04

5.0E-04

6.0E-04

50 150 250 350 450 550 650 750

fs [Hz]

PSD

sum

mat

ion

A-未着用A-着用

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擦れ検出の指針

PSDの値が増加する周波数帯が確認できることから，擦れ検出の指針となる値として Rsp を定義する

3

2

2

1

f

ff

f

ff

fPSD

fPSDRsp

75040050

3

2

1

fff [Hz]

[Hz]

[Hz]

fPSD :周波数 f [Hz]におけるパワースペクトル密度の値

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Rsp計算結果

オムツ未着用状態とオムツ着用状態で計算結果に明らかな差異を確認できる

オムツ着用による擦れの指標を得ることが可能

従来技術とその問題点

従来は物質の触感を評価しようとした場合、官能評価を用いることになり、その場合個人差があること、経験に富んだ熟練者が必要になること、熟練者がいない場合には多量の被験者数が必要であること、さらに官能評価が行えないような問題には対応できないなどがあげられる。

また、人の触覚や触感情報を数値で得ようとする場合、摩擦や力などの計測から行われるが、得られた計測結果と人間の感覚とは十分な対応が得られない。

新技術の特徴・従来技術との比較

• 本技術では皮膚の受容器特性を有するセンサを作製し、それを用いて触覚・触感について関わりが深い動作をさせ、受容器特性を検討した信号処理を行うことにより、触感と良好の対応が得られる。

• 従来技術の問題点であった対応が十分にみられない触感について、種々の触感を計測することができ、どのような触覚信号が触感に関係するかなどを明らかにできる。

• 本技術では官能評価ができない（官能な評価が困難な）対象に対しても、指針を示すことが可能となる。

想定される用途

• あらゆるものの触覚・触感の定量化、ものづくりの設計指針に貢献できる。

• 触感に関わる要素の解明や触感の制御に貢献できる。

• 触動作に関連して、熟練者の動作や触感を解明することによる、伝統工芸や医師の動作などのトレーニング装置の開発も可能となる。

実用化に向けた課題

• 現在、様々な種々のものに対して触覚・触感の計測が可能となっている。各々の触動作などを解析検討して対応しているが、より普遍的なものを対象とする場合には、様々な動作もでき、触覚・触感を計測、設計・コントロールするという点については未解決である。

• 今後、熟練者の手の動きや、人体の動作などについての実験データを取得し精査し、必要な情報を抽出し、センサを有するフィンガなどの動作に適用する。

• また、より精度を向上させることや個人差を解明するためにも、人の指と対象物の接触状態の詳細計測なども行い、センサの改良や信号処理法の検討などを進める。

企業への期待• より普遍的な触覚・触感センサ技術として確立したいと考えており、

そのためには、自分達だけで作成できるサンプルには限界があり、基礎的な触覚サンプル、また基礎的な各触感が組み合わせてできるような複合触感サンプル、さらにこれらが統合された高次的な触感のサンプルを計測対象として研究を行いたいと考えている。

• 触感サンプルについては、触感データ、熟練者の触動作についてのデータ、物性値の特性データなどを提示していただきながら、こちらの計測結果と共に検討できることを希望する。

• 研究実施中にこちらからサンプルについて希望特性を作製していただける、あるいはこちらの触感計測結果と共にサンプルの物性値を検討できるなどの共同研究を希望する。

• 上記サンプルという表現をとっているが、様々な対象物に対して研究を行いたいと考えている。

本技術に関する知的財産権

• 発明の名称 ：触刺激測定装置

• 登録番号 ：特許第5376588号

• 出願人 ：東北大学

• 発明者 ：田中 真美、奥山 武志

産学連携の経歴

• 2009年-2013年 おむつメーカー某社と本研究に関連して共同研究実施

そのほか、繊維、皮膚や毛髪（化粧品メーカー）、車の内装、携帯などのタッチパネルなどを対象として触覚・触感に関する計測する技術を共同研究として実施

お問い合わせ先

東北大学 産学連携機構 総合連携推進部

産学連携コーディネーター 山田、松野

ＴＥＬ 022－217 － 6043

ＦＡＸ 022－217 － 6047

e-mail liaison@rpip.tohoku.ac.jp