2007年度森基金研究者育成費

研究成果報告書

人工筋肉による触覚的な音楽用インターフェースの開発

政策・メディア研究科修士課程1年

髙橋 征資

1 　はじめに

1.1 　研究目的

　本研究は，ロボティクス技術を含んだインターフェース開発において，アニミズムの考えを第一義に設計することで，人間とコンピュータの新たな共存関係を構築することを目的とする．本作品群“bogs”は，その手法として人工皮膚，人工筋肉技術を用いた，従来よりも動的，触覚的，有機的な特徴を有する音楽用インターフェースである．

1.2 　研究背景

　現在まで，物づくりは主にテクノロジーの側から派生することが多かった．しかし一方で近年，人の感覚を発端とする物づくりが盛んになされてきている．「HAPTIC」展[1]はその最たる例である．“HAPTIC”とは，ギリシア語が語源の古い言葉で「触覚を喜ばせる，ぞくぞくさせる」という意味を持つ言葉である．現在ではバーチャルリアリティやメディアアートの分野でも，ネットワークを介した仮想身体共有システム「三人三脚」[2]や，風の感触を用いたコミュニケーションを実現する作品「ビュー・ビュー・View」[3]など，視聴覚に留まらず人間の触覚を刺激するHAPTICな研究作品を目にすることが多くなった．

　芸術の分野では20世紀に入り，電気機械工学の技術が芸術作品に用いられるようになり「キネティックアート」と呼ばれる, 動きを含む，もしくは動いて見える立体芸術作品が登場した．現在も磁性流体を用いたメディアアートプロジェクト「磁性流体アート」[4]，澱粉を水に溶いたゲル状の物体をスピーカーの振動用いてダイナミックに変形させる彫刻作品「White Lives on Speaker」[5]等，新たな技術を応用したキネティックアートは生まれ続けている．

　近代，人間は自然を人間のための道具とみなし，自然界の精神的価値を認めない傾向が強かった．しかし今日の自然保護思想のうえで，アニミズム的な感覚や発想を再評価する動きも起きている．その中でも，「環境知能」[6]は，アニミズムの考えに則している．環境知能とは，情報飽和社会の現代において，物質的な利便性はもとより，精神的な安定と豊かさの実現のためには「妖精・妖怪の復権」に取り組むべきだとする考えである．この技術がロボットの頭脳として働くことで，妖精・妖怪の世界に見られる精神世界と，ロボット技術と相補的な共存関係が実現される．

　以上の動向を踏まえ，我々はインターフェース設計において，

・ 人工皮膚，人工音声技術によるHAPTICデザイン

・ 人工筋肉技術によるキネティックなアクチュエーション

・ 人とインターフェース間の相補的インタラクションを重視した環境知能技術

　以上の技術を複合的に取り入れた音楽用インターフェースを制作することにした．

2 　関連研究

　人工筋肉を用いたロボット，インターフェースの研究は主に，介護福祉，メディアアートの二つの分野で見られる．介護福祉の分野では「Shadow Dexterous Hand/Arm」[7]があげられる．Shadow Dexterous Hand/Armは，複数のエアマッスルを骨に相当するフレームに張り巡らしたもので，人間の腕の動きに似た，リアルな動作をするロボットアームである．この研究は，床にある物を拾い上げたり，テーブルにあるものをめくったりできるような，人間の腕のかわりになり，義手として使用できる腕の完成を目的としている．また，同じくエアマッスルを用いた研究に着用型ロボット「マッスルスーツ」[8]，装着することで健常者と同じパターンで膝や股関節を動かして歩行動作が可能になる歩行補助装具「ハートウォーカー」[9]がある．いずれも主に介助器具，リハビリ補助が研究目的である．メディアアートの分野では，「Cyclops」[10]があげられる．Cyclopsは，エアマッスルを用いたインタラクティブロボットである．Cyclopsの目に当たる箇所にCCDが搭載され，近くにいる人々の動きを目で追跡するかの様に動作する．その眼球運動によってロボットの感情表現を提示している．Cyclopsは，50本ものエアマッスルと32の電磁空気弁によってコントロールされ，エアマッスル特有の有機的な動作を実現している．本研究では，エアマッスルに加え，人工皮膚，人工音声技術を用いることで，より触覚的，生物的な表現の実現を目指し，人とインターフェース間の相補的インタラクションを重視する．

3 　作品構成

3.1 　作品タイトル

本作品タイトルである“bogs”という名称の由来は二つある．一つは， 「沼地（に沈む［沈める］）」を意味する英単語“bog”である．本作品群“bogs”では，この「沼」という言葉から連想するイメージ（色合い，湿気，流動性）の表現を目的の一つとし，外観は「沼から湧き出る未知なる生物」をモチーフにたものもある．もう一つは，「お化け」を意味する英単語“bogie”である．これは，先程述べた環境知能のテーマである「妖精・妖怪の復権」に基づくものであり，本作品の世界観を提示する．

この作品のみならず，「妖怪」は古来より芸術，娯楽の分野における作品の題材として頻繁に扱われてきた．その例は，京極夏彦の『巷説百物語』[11]，水木しげるの『ゲゲゲの鬼太郎』[12]，スタジオジブリ作品では『となりのトトロ』，『もののけ姫』，『千と千尋の神隠し』[13]など，小説，漫画，映画等，多岐にわたる．これらの作品はいずれも，「妖怪」を題材にすることで人々の不安を煽るどころか，人々の心にほどよい緊張感や安堵感を与える魅力的な作品ばかりである．

図1 　“bogs” 全体の外観と各名称

Fig.1 　“bogs” Overview and each name

図2 　各作品と使用技術の関係

Fig.2 　Relationship between works and technologies

3.2 　全体構成

本作品群“bogs”は，複数の種類からなる群集作品である．現在まで3種類，全7体を制作し，各々「イ・ロ・ハ」，「ニ・ホ」，「ヘ・ト」と名称を振り分けた（図1参照）．それぞれ，

(a) 人工皮膚，人工音声技術を用いた音響インターフェース

(b) 人工皮膚、ロボティクス技術を用いたインターフェース

(c) 人工皮膚、人工筋肉，ロボティクス技術を用いたインターフェース

である（図2参照）．体験者は，これら作品にはたらきかけることで，作品と相補的にインタラクションする．以下，各種作品の構成を順に述べる．

3.3 　人工皮膚，人工音声技術を用いたインターフェース

「イ・ロ・ハ」は人工皮膚を身にまとい，人工音声を生成する音響インターフェースである（図2-(a)参照）．通常，本体は天井や木などに吊るし，スピーカーは天井に設置する．体験者は本作品の球体部を握りしめることで，人工皮膚による有機的な視覚，触覚的刺激と共に人工音声による聴覚への刺激を体験する（図3-(R)参照）．また本作品は，「テルミン（静電容量の差異により音程と音量をコントロールする世界最古の電子楽器）」と同じ要領で，「演奏ツール」として用いることを想定している．テルミンは，本体に手を接触させることなく空間中の手の位置によって音程と音量を調節する．その音色は原理上，純粋な正弦波に近い．一方，本作品では本体に手を接触させ，奏者の握る強さ，本体の傾きによって音程と音量を調整する．その音色は人の声を模した人工音声である．また，本作品は複数の本体を個別にコントロールし，異なる音色を重ねた和音を奏でることが可能である．よって本作品はテルミンと比べ，より豊かな演奏・音響表現を実現する演奏ツールであるといえる．

本作品の内部には気圧センサ（フジクラ社　XFPM-115KPA），3軸加速度センサ（カイオニクス社KXM52-1050）が組み込まれ，その値は入出力デバイス（InfusionSystems社 I-CubeX Wi-miniSystem）を介してPCへ送られる．PCではその変化値に応じ人工音声を生成，変化させる（図4参照）．音響生成ソフトウェアには音響プログラミング言語Max/MSPを用いた．

本作品は，粘土で形成したオブジェをシリコーンゴムで型取る方法により造形する．造形素材には，人間の肌を模した柔らかさ，弾性，耐久性を備えた人工皮膚である，超軟質エラストマーゲル状物質ウレタンゲルを用いた．一般的なゴムと比べ耐久性が高く，エネルギー吸収性に優れているため，耐久性に懸念のある本作品に適した素材である．このウレタンゲルは従来のゴムにはない柔らかさ，質感を備えたHAPTICな素材である．本作品を造形する際は，球体部の内部を中空の状態で造形し，センサ類，コードを組み込み，球体内部の気圧変化を連続的に読み取る（図5参照）．

人工音声はフォルマント合成により生成する．フォルマント合成は音声合成技術の一つで，録音された人間の音声は使用せず，基底周波数，音色，雑音レベル等のパラメータを調整することで人工的な音声を生成する．音の欠損がないため，イントネーションや音色をリアムタイムに変化させることができる．本作品では，内部測定圧力の変化値に応じて音量，フォルマントを変化させ，加速度センサの差分の和に応じ，音程を約300〜4000Hzの範囲内で変化させる（図6参照）．発音は母音のみに限定し，「イ」は[a]~[u]~[i]，「ロ」は[u]~[o]~[e]，「ハ」は[i]~[e]~[a]の間を連続的に変化させる．その際の各フォルマントの遷移を表1に記す．

図3 　「イ・ロ・ハ」のイメージ（左）と操作方法（右）

Fig.3 　(L) Image of　 “I, Ro, Ha”,　 (R) Operating instructions

図4 　「イ・ロ・ハ」のシステム図

Fig.4 　System configuration of　 “I, Ro, Ha”

図5 　「イ・ロ・ハ」の内部構造

Fig.5 　Internal structure of　 “I, Ro, Ha”

図6 　Max/MSPによるフォルマント合成

Fig.6 　Formant synthesis with Max/MSP

表1 　内部測定圧力変化に応じたフォルマント遷移

Table 1 　Transition of Formant according to the change of internal pressure

内部測定圧力（Kpa）	min	~	max
(1-1) 「イ」のフォルマント遷移
発音	[a]	[u]	[i]
第一フォルマント（Hz）	709	330	286
第二フォルマント（Hz）	1350	1301	2096
第三フォルマント（Hz）	2406	2250	3033
(1-2) 「ロ」のフォルマント遷移
発音	[u]	[o]	[e]
第一フォルマント（Hz）	330	420	470
第二フォルマント（Hz）	1120	710	2040
第三フォルマント（Hz）	2350	2530	2250
(1-3) 「ハ」のフォルマント遷移
発音	[i]	[e]	[a]
第一フォルマント（Hz）	286	470	709
第二フォルマント（Hz）	2096	2040	1350
第三フォルマント（Hz）	3033	2250	2406

3.4 　人工皮膚，ロボティクス技術を用いたインターフェース

「ニ・ホ」は人工皮膚を身にまとい，「イ・ロ・ハ」を自動操作するインターフェースである（図2-(b)参照）．通常床に配置する．本作品は「イ・ロ・ハ」が挿入されたことを感知し，一定の周期で反復動作を行い，体験者に代わり「イ・ロ・ハ」を握りしめる．「イ・ロ・ハ」は，本作品の反復動作と同じ周期で握りしめられ，人工音声を生成しリズムを生みだし，無人演奏が実現される．これにより“bogs”同士のインタラクションが実現される（図9参照）．「イ・ロ・ハ」は内部測定圧力，加速度変化に応じて音色が変化するため，サンプリング音源では実現困難な，表情豊かで偶発的な音色の人工音声を生成する．

本作品の内部には，接近センサ（浅草ギ研 AS-PROX）が組み込まれ，近距離に物体を感知した際，二つのサーボモーター（MiniStudio社 MiniS RB945-jr）が反復動作を開始する．サーボモーターの仕様は6Vでトルク12kg･cm，速度0.25s/60度である．センサ，アクチュエータはマイクロコントローラ（Atmel社 ATtiny2313）を用いて制御する．開発にはCコンパイラを使用した（図7，8参照）．

本作品は，「イ・ロ・ハ」同様，粘土で形成したオブジェをシリコーンゴムで型取る方法により造形し，造形素材には，超軟質エラストマーゲル状物質ウレタンゲルを用いた．本作品は強い力のかかる反復動作を行う上で耐久性に懸念があるため，高い弾性，耐久性を備えたウレタンゲルが適している．

図7 　「ニ・ホ」のシステム図

Fig.7 　System configuration of　 “Hi, Ho”

図8 　「ニ・ホ」の外観と内部構造

Fig.8 　View and internal structure of　 “Hi, Ho”

図9 　bogs同士のインタラクションの様子

Fig.9 　Appearance of the interaction among bogs

3.5 　人工皮膚、人工筋肉，ロボティクス技術を用いたインターフェース

「ヘ・ト」は，人工皮膚を身にまとい人工筋肉により動作するインターフェースである（図2-(c)参照）．本作品は体験者の気配を察知した際に発動する．人工筋肉をアクチュエータに用いることで，圧電モーターやソレノイドなどによる円運動，直線運動の組み合わせでは困難な，人工筋肉特有の計算不能な偶発的運動が実現される．また，人工皮膚の触覚的な外観と相まって，生物特有のリアルな動作が可能となる．

本作品にはエアマッスルをアクチュエータとして用いる．エアマッスルの構造はゴムチューブにナイロン繊維の網を被せた二重構造となっている．ゴムチューブ内に空気を吹き込むと，ゴムが膨張しチューブは太くなる．それに伴い外側の網も膨らむが，ナイロン繊維は伸縮しないため，太くなった分だけ長さは縮む（図10-(a), (b)参照）．この力をアクチュエータとして利用したのがエアマッスルである．本作品には日立メディコ社のエアマッスルを使用した．その仕様を以下に示す．

可動部の長さ (mm)	500
エアマッスル外径 (mm)	φ50
エアチューブの長さ (mm)	2000
エアチューブ外径 (mm)	φ4.0

図10 　エアマッスルの仕様，加圧前(a)と加圧後(b)

Fig.10 　Specific of Air muscle, (a) normal and (b) pressured

　エアマッスルへのエア源にはエアコンプレッサ（日立工機社 EC727H）を用いる．一般的にエアマッスルの制御には0～0.6MPaの取り出し圧力を要する．気圧制御には電磁弁（CKD社AB31-02-3-AC 100V）を用いる．電磁弁は磁力を用いて弁を開閉する電気的駆動弁の一種である．応答速度が速いことが特長であるが，構造上全開か全閉のいずれかの状態しか保持できない．そのため本作品では，電磁弁の開弁時間30msのパルス密度を制御することで，より自然な動きを実現する．

体験者の気配の感知には赤外線を使用した距離センサ（InfusionSystems社 MoveOn v1.1）を用いた．その値は入出力デバイス（InfusionSystems社 I-CubeX Wi-miniSystem）を介してPCへ送られる．PCではその変化値に応じ電磁弁の開閉を制御する（図11参照）．その制御にはプログラミング言語Max/MSPを用いる．

本作品もその他の作品と同様，粘土で形成したオブジェをシリコーンゴムで型取る方法により造形する．造形素材には，超軟質エラストマーゲル状物質ウレタンゲルを用いる．本作品を造形する際は，筒状部，先端部，土台部を別々に作成し，筒状部にエアマッスルを組み込み，固定し，それらを接着する．エアマッスルのチューブは土台部から延ばす（図12参照）．

図11 　「ヘ・ト」のシステム図

Fig.11 　System configuration of　 “He, To”

図12 　「ヘ・ト」の外観と内部構造

Fig.12 　Internal structure of　 “Hi, Ho”

図13 　「ヘ・ト」　 加圧前(a)と加圧後(b)

Fig.13 　“He, To”　 (a) normal and (b) pressured

3.6 　応用例

本作品群は音楽表現におけるインターフェース，舞台表現におけるパフォーマンスツールとしての応用を想定している．現在のコンピュータミュージックの研究では，音楽表現における「操作方法，アルゴリズムの発見」に大きな重点が置かれている[14][15][16]．本作品は「操作方法の発見」という点で新規性を有する．また舞台芸術において，キネティックな造形表現[17]が見られる様に，本作品と舞台芸術との親和性は高いと考えられる．

3.7 　デモムービー

　本作品のデモムービーはweb上に公開してある．URLは

http://vrsjserver.web.fc2.com/bogsdemo.mov

である．

4 　おわりに

本論文では，人工筋肉，人工皮膚を用いた動的，触覚的音楽用インターフェース“bogs”について述べた．我々は本作品を通して，妖精・妖怪の世界に見られる精神世界と，ロボット技術と相補的な共存関係を築くことができればと考えている．今後は更なる生物的リアリティの実現に向けて，複数の人工筋肉を高度に用いた，よりキネティックかつ，よりHAPTICなインターフェースを開発する．また同時に，多種類の“bogs”を用いたインスタレーション，パフォーマンスを行うことで，本研究の更なる考察と，人工筋肉，人工皮膚を用いたインターフェイスの普及を進める．

5 　研究成果

ICMC 2007 (International Computer Music Conference) にて本作品を用いたパフォーマンスを披露．

参考文献

[1] 株式会社竹尾, 原研哉＋日本デザインセンター原デザイン研究所: HAPTIC ―五感の覚醒; 朝日新聞社, 所在地 (2004.9)

[2] 鈴木宣也: ネットワークを介した3人による仮想身体共有システム「三人三脚」; 日本バーチャルリアリティ学会論文誌, Vol.12 No.3, pp.269-276 (2007)

[3] 澤田枝里香, 淡路達人, 森下圭介, 古川正紘, 有賀友恒, 木村秀俊, 藤井智子, 武市隆太, 清水紀芳, 井田信也, 新居英明, 常盤拓司, 杉本麻樹, 稲見昌彦: ビュー・ビュー・View : 風を情報媒体とするインターフェース; 第15回インタラクティブシステムとソフトウェアに関するワークショップ, pp.63-68 (2007.12)

[4] 児玉幸子, 宮島靖: 音楽に同期する磁性流体彫刻; 日本バーチャルリアリティ学会論文誌, Vol.12 No.3, pp.247-258 (2007)

[5] 加藤良将: White Lives on Speaker;
http://www.wlos.jp/ (2007)

[6] 前田英作, 南泰浩, 堂坂浩二: 妖精・妖怪の復権 -新しい「環境知能」像の提案-;　 情報処理学会論文誌, 47巻 6号, pp.624-640 (2007.9)

[7] Shadow Robot Company: Shadow Dexterous Hand/Arm;
http://www.shadow.org.uk/products/armHand-enlarged.shtml (2001)

[8] Kobayashi Hiroshi, Nozaki Hirokazu: Development of Muscle Suit for Supporting Manual Worker; IEEE/RSJ International Conference on Robot and Systems, pp.1769～1774 (2007)

[9] 小林宏, 入江和隆: 能動的歩行補助機能を持つ歩行器; POアカデミージャーナル, 15巻 2号 （2007.9）

[10] Leading Edge Design: Cyclops;
http://www.lleedd.com/cyclops/

[11] 京極夏彦: 巷説百物語; 角川書店 (2003)

[12] 水木しげる: ゲゲゲの鬼太郎; 中央公論新社 (1988)

[13] スタジオジブリ;　 http://www.ghibli.jp/

[14] Curtis Roads, 青柳龍也, 後藤真孝: コンピュータ音楽―歴史・テクノロジー・アート; 東京電機大学出版局 (2001)

[15] 久保田晃弘: コンピュータ音楽とユーザー・インターフェース; 情報処理学会研究報告，Vol.1999 N068，pp.45-48 (1999)

[16] 菊地成孔, 大谷能生: 憂鬱と官能を教えた学校; 河出書房新社 (2004.9)

[17] 石川ふくろう: PROJECT FUKUROW;
http://www.fukurow.com/