日本バーチャルリアリティ学会第 11 回大会論文集(2006 年 9 月) 経皮電気刺激及び機械刺激を併せた触覚提示の提案 Proposal for Revision of Electro-Tactile Display 黒木忍，梶本裕之，川上直樹，舘暲 Shinobu KUROKI, Hiroyuki KAJIMOTO, Naoki KAWAKAMI and Susumu TACHI 東京大学大学院情報理工学系研究科 (〒113-0033 東京都文京区本郷 7-3-1, Shinobu_Kuroki,@ipc.i.u-tokyo.ac.jp, {kaji, kawakami, tachi}@star.t.u-tokyo.ac.jp) Abstract: We propose a combination of electrical stimulation and mechanical stimulation as a foundational method to realize temporal and spatial high-resolution tactile display. In this paper, we confirmed interaction between electrical and mechanical stimulation. The interaction (1)lowers tactile threshold and (2)reduces so-called “electrical” sensation. The results may solve some practical problems of electrocutaneous display. Key Words: tactile display, electrocutaneous display, vibrotactile, electrical stimulation 1. はじめにを探して搭載する必要性は無いことになるだろう。皮膚変指先に触覚を提示する研究の多くは、触対象環境を再現形の時間・空間周波数に対して、受容器が応答する（即ちすることで皮膚内の受容器を変形させ、ヒトに環境を知覚人が知覚する）範囲は限られているからである (図 1)。とさせることを目指している。具体的には皮膚表面の物理的ころで、機械刺激で空間的に高分解能なデバイスを作成す振幅や振動周波数を振動ピンアレイ[1]によって提示して、るのは、アクチュエータのサイズ制約からやや困難である任意の皮膚感覚の提示を試みている。これら機械刺激を用と言える。一方で電気刺激によるデバイスを考えると、まいる手法に対し、触覚受容器の変形による神経発火そのもず皮膚の深い位置に存在する受容器(図 1におけるパチニのを再現しようとするのが Kajimoto[2]らによる経皮電気小体)に働きかけることが難しいため、電気刺激で時間的刺激を用いた手法である。こちらは皮膚下の感覚神経をそな高周波成分を再現するのは困難である。また電流量の調の種類別に刺激し、またそれらを組み合わせることで任意節が難しい、圧覚のみを安定的に生成するのが困難、いわの感覚を生成することを目標としている。これを触原色原ゆる電気的な感覚が生じてしまう等の問題も表出してく理と呼ぶ。る。そこで本研究では機械刺激と電気刺激を併用することを考える。併用には二つの利点があると考えられる。第一に、空間周波数それぞれが異なる受容器(すなわち皮膚変形の異なる時空間領域)を狙うことにより、相補的に高品位皮膚感覚提示 SA1 が実現可能となると思われる点である。第二に、同一の受容器を電気、機械で刺激する事による感覚閾値の低下、およびそれに伴う感覚のダイナミックレンジ拡大である。 FA1 本稿ではまず、併用の準備段階として、電気刺激知覚レンジに関する課題を解決することを目指し，電気、機械二 PC 種類の刺激が同時に加えられた場合の感覚閾値の変化を計測した。時間周波数 2. 目的機械刺激と電気刺激を同時に行った際の感覚閾値変化に図 1 皮膚触覚受容器(SAⅠ: メルケル細胞 FAⅠ: マイス関しては、Richardson[3]らの先行研究が挙げられる。こナ小体 PC: パチニ小体)の時空間特性の模式図れは機械刺激を印加する際に適切な強度の電気的ノイズ触原色原理に則って話を進めるならば、触覚提示デバイ刺激を加えることで機械刺激の閾値が低下する、というもスは必ずしも時空間共に高い分解能を持つ刺激提示手法のである。我々はこれとは逆に、機械的刺激による電気刺 390 激閾値の低下を狙う。電気刺激は機械刺激に比べ高解像度 Skin Deformation Finger のディスプレイを容易に構成できるため、もし機械刺激で Neural Spikes 電気刺激の閾値を下げられるなら、将来的に「大面積を刺 Far 激する単一機械振動子」と「微細なマトリクス電極」を組み合わせた最適なシステムに繋がると考えられるためである。またノイズを加えることによる感覚閾値低下現象は FSR(Functional Stochastic Resonance)として知られてい Near るが[4]、我々はより効率的に感覚閾値低下を目指すため、 Time ノイズではなく既知の信号を用いることとした。 3. 実験 3.1.実験装置図 3 正弦的な機械刺激の印加点からの距離による神経発火位相のずれ実験装置を図 2に示す。刺激点に機械刺激と電気刺激を同時に加えることを可能とする。直径 1mm のステンレス一方で電気刺激を印加した場合は、電流の到達する範囲ピンを直径 6mm の穴の開いたアルミ板の中央に配置し、の受容器は(可能ならば)一斉に発火することになる。そこ機械刺激時にはピンのみを積層圧電素子(NEC トーキン社で機械刺激としてパルス波を選択し、空間的に広がって分製 ASL シリーズ最大振幅 68μm)を用いて振動させた。布する複数の触覚受容器の神経発火タイミングを極力一電気刺激時にはピンを陽極、アルミ板をグランドとした陽意に定め、電気刺激と条件を揃えることを試みた。機械刺極刺激の設定とし、パルス電流(パルス幅 20μs、パルス高激は 30pps(pulses per sec)のパルス波、電気刺激はさ最大 4mA)を印加する。被験者は右手人差し指の先端が 15pps(pulses per sec)とし、<機械刺激のみ‐機械刺激と電気ピンに当たるように指を置く。なお、刺激閾値は刺激箇所刺激‐刺激なし>を各 1 秒間ずつの 3 秒 1 セットとして提及び指の状態により相当量左右されることが予想された示した。なお、陽極刺激ではマイスナ小体が優先的に発火ので、被験者の人差し指は事前に石膏で型をとっておき、することが期待されるため、今回の実験ではその共振周波実験時はその上に指を固定した。数に応じた周波数に実験条件を設定してある。 66ms Finger Ground Stimulating Electrode Linear Actuator 6.0 66ms 1.0 Time 図 2 実験装置の模式図:Top View(左図) Side View(右図) 33ms 図 4 30pps 機械刺激(緑)と 15pps 電気刺激(黄) 3.2.実験手法皮膚表面に対して正弦的な機械振動を加えると、皮膚の機械刺激の振幅を数段階に分けてランダムに提示し、被歪エネルギが一定値に達したところでその所々の受容器が発火する。つまり、機械刺激によって触覚受容器は空間験者には 15Hz の振動刺激(理想的には、15pps の神経発火的に異なるタイミングで発火することになる(図 3)。が生じるはずである)が知覚される閾値になるよう、電気刺激の強度を調整してもらった(調整法)。各強度 5 回ずつ実験を行った。被験者は 1 名、22 歳であった。 391 電気刺激が働くであろう、という仮説をここで”末梢レベル相互作用仮説”とする(図 7)。 +E 図 5 実験時の様子手前は電気刺激装置 3.3.結果複数回行われた実験結果の平均をとってプロットしたものを図 6に示す。横軸は機械刺激の振幅[μm]であり、縦軸は電気刺激の強度[mA]である。図 7 末梢レベル相互作用仮説模式図 5.5 "test2.txt" この仮説は、神経が発火に至らない、ある「閾値以下の強度の機械刺激」に、同様に「閾値以下の強度の電気刺激」電気刺激強度 [mA] 5 を印加した時、個々では強度不足により発火に至らなかった電気刺激と機械刺激が末梢レベルで相互作用して、神経 4.5 発火を起こせるのではないか、と考えたものである。もしこの仮説が成立するならば、機械刺激か電気刺激どちらか 4 一方によって電位勾配が発生している間にもう一方の刺激を加えて電位勾配を神経発火閾値以上にする必要があ 3.5 るため、刺激間の位相を合わせることが本質的な課題とな 3 0 10 20 30 40 50 る。そこで位相差を考え合わせた上で追加実験を行った。機械刺激振幅 [μm] 3.4.検証実験 3.2.と同様の条件設定で再度実験を行う。機械刺激に対し図 6 機械刺激と電気刺激を同時に行った際の電気刺激の電気刺激のパルスの立ち上がり位相差が 0 と Pi の場合(図閾値変化 8)について機械刺激強度ごとにセットを作成し、位相・機図 6から、電気刺激による 15Hz 振動知覚の閾値が下に凸械刺激強度双方についてランダムに被験者に提示した。各の曲線を描いていることがわかる。これは 1)適切な機械刺条件の試行回数は 5 回。被験者は 1 名、22 歳であった。激を加えることによって電気刺激の閾値が低下した結果と 2)機械刺激の値がある一定値以上に大きくなることで 66ms 66ms 電気刺激に対するマスキング効果が生じ閾値が上昇した、という二つの結果を示すグラフだと解釈できる。本結果により、電気刺激と機械刺激の間に何らかの相互作用が働いたことは証明された。 66ms 3.4.仮説 66ms 受容器レベルで生じる神経発火は、何らかの信号処理を経て知覚に至る。では電気刺激と機械刺激との相互作用はヒトが対象に触れてから刺激を知覚するまでの一連の流 Time れの、具体的にはどの部分で働いているのだろうか。ここ 33ms 17ms で受容器レベルと中枢神経レベルに信号処理系を二分する。前者において相互作用が行われる、即ち同一の受容器図 8 （今回はマイスナ小体を想定している）に対し機械刺激と 30pps 機械刺激(緑)と 15pps 電気刺激(黄)について、位相差 0 の場合(左図)、位相差 Pi の場合 (右図) 392 4. おわりに 3.5.検証結果図 9に見られるように、現在の結果からは位相差が 0 の本稿では時空間的に高分解能な高品位触覚提示の実現を場合と Pi の場合について優位な差は見られない。目指し、経皮電気刺激と機械刺激を併せた触覚提示を提案した．具体的には、電気刺激・機械刺激間に閾値の低下及び電気感覚の低減という相互作用が確認された。これは、 5.5 電気刺激の抱える問題点の一部の解決に繋がると言える。 "test2.txt" using 1:20” “位相差 "test2.txt" using 3:4 “位相差 Pi” また、本稿の段階では電気刺激・機械刺激の”末梢レベル電気刺激強度 [mA] 5 相互作用仮説”は棄却された。しかし電気刺激・機械刺激共に、それぞれ個別に刺激を行った際には双方マイスナ小 4.5 体を発火させ得るという生理学的知見が存在している。末梢レベルでの相互作用が生じない理由について、刺激種類 4 による受容器選択性の有無や刺激位置と知覚位置のずれ等からの再考、また”高次機能における相互作用仮説”につ 3.5 いての更なる検証の必要性がある。 3 0 10 20 30 40 50 なお、今回は実験装置として単独のピン振動子を用いたが、電気刺激アレイ配置した板を振動させる事でも同様に機械刺激振幅 [μm] 機能することが予想される。これは、「大面積を刺激する単一機械振動子」と「微細なマトリクス電極」を組み合わ図 9 機械刺激と電気刺激を同時に行った際の、位相ごとせた最適なシステム構想に肯定的な結果である。の電気刺激の閾値変化参考文献よって当初筆者らの予想した同一のマイスナに対し機械 [1] C. W. Wagner, S. J. Lederman, R. D. Howe: Design and 刺激と電気刺激が働いた結果神経発火が生じているのであろう、という”末梢レベル相互作用仮説”は棄却される。そこで複数の異なる受容器が神経発火を起こした(群刺激 Performance of a Tactile Shape Display Using RC Servomotors, Haptics-e: The Electronic Journal Of Haptics Research, Vol. 3, No. 4, 2004. となった)ことで、ヒトが脳で知覚を行う際に相互作用が [2] 梶本，川上，前田，舘: 皮膚感覚神経を選択的に刺激起き、閾値が低下したのであろうという”高次機能におけする電気触覚ディスプレイ，電子情報通信学会論文誌，る相互作用仮説”が支持される。 Vol. J84-D-II，No.1，pp.120-128，2001. ここで位相差 Pi の場合においても閾値が U 字カーブを [3] Kristen A. Richardson, Thomas T. Imhoff, Peter Grigg, 描いている事実は興味深い。これは電気刺激を行う前後そ James J. Collins: Using electrical noise to enhance the れぞれ約 15ms、十分に長いと考えられる間隔をとって行 ability oh humans to detect subthreshold mechanical われた機械刺激が電気刺激の閾値を下げたことを意味す cutaneous stimuli: Chaos: An Interdisciplinary Journal of る。これは、「神経の発火が知覚に結びつく間には、何ら Nonlinear Science, Vol 8, Issue 3, pp.599-603, 1998. かの積分的処理が行われているであろう」というしばしば [4] J. J. Collins, T. T. Imhoff, P. Grigg: Noise-mediated 耳にする仮説を支持する結果であるとともに、その積分が enhancements and decrements in human tactile sensation. かなりの時間幅をもって行われている可能性をも示唆し Phys. Rev. E 56: 923-926, 1997. ている。もし、ヒトの知覚が時間的にブロードな当たり判定を神経発火について行っているのならば、今度は周波数知覚のメカニズムに対する興味が生まれる。この点に関しては、群刺激がヒトの知覚にどのように働いて知覚されるに至るのかという疑問を含め、以後研究の余地があるだろう。なお、追加的な事項となるが本稿における重要な知見として、電気刺激に機械刺激を加えた場合に電気的な感覚が低減する現象が観測されたことが挙げられる。また、電気刺激はそれ自体にぼんやりとした感覚の広がりが伴うが、機械刺激を加えてやった場合にはよりはっきりと振動覚を得た、つまりより小さな機械刺激強度において、自然な感覚を提示可能となった。 393