形状感知シートが、曲がったりねじれたりする自身の動きをデジタルで追跡

MITのエンジニアによって開発されたこの柔軟な素材は、物理療法、バーチャルリアリティ、ゲームなどで使用できる、動きを監視するウェアラブルな「スキン」として機能する可能性があります。 ビデオを見る Jennifer Chu | MIT News 掲載日: 2026年10月8日 報道関係者からのお問い合わせ 広報担当: Abby Abazorius メール: abbya@mit.edu 電話: 617-253-2709 MIT News Office メディアダウンロード ↓ 画像をダウンロード キャプション: 「物理療法では、リハビリ中に患者が腕をどのように動かし、伸ばしているかについてのデータを収集する必要がよくあります。表面形状センシングはこのように非常に役立つ可能性があります」と、大学院生のQifan Yu氏は述べています。 クレジット: クレジット: 研究者提供；MIT News編集 *利用規約: MIT Newsオフィスウェブサイトでダウンロード可能な画像は、非営利団体、報道関係者、および一般の方々がクリエイティブ・コモンズ 表示-非営利-改変禁止ライセンスの下で利用できます。提供された画像は、サイズに合わせてトリミングする以外の変更はできません。画像を複製する際にはクレジット表記が必要です。もし下記にクレジット表記がない場合は、「MIT」とクレジットしてください。 閉じる キャプション: 「物理療法では、リハビリ中に患者が腕をどのように動かし、伸ばしているかについてのデータを収集する必要がよくあります。表面形状センシングはこのように非常に役立つ可能性があります」と、大学院生のQifan Yu氏は述べています。 クレジット: クレジット: 研究者提供；MIT News編集 前の画像 次の画像 MITのエンジニアは、曲がったりねじれたりする際に自身の形状をデジタルに再構築する、柔軟な形状感知シートを開発しました。 このセンサーは、原理的には、人の身体の動きを追跡して仮想アバターに模倣させるモーションキャプチャガーメントの一部と似ています。それらのデザインは、戦略的な場所にスーツに縫い付けられた硬いセンサーを使用しています。 対照的に、チームの新しいデザインは、柔らかく伸縮性のあるシート全体にジグザグに配置された複数のソフトな光ファイバーを使用しています。 シートが曲がると、ファイバーもそれに合わせて曲がり、それらを通過する光のパターンが変化します。 研究者たちは、この曲がる光のパターンをリアルタイムで解釈し、シートの動きと同じように動くデジタル画像を生成するアルゴリズムを開発しました。 チームはまた、このデザインが損傷に強いことを示しました。数本のファイバーが切断されたり外れたりしても、残りのファイバーでシート全体の形状を正確に再構築できます。 「私たちのセットアップは、完全にソフトで伸縮性のあるセンシング表面をターゲットにしています。そのため、人間やソフトな環境との相互作用において、より安全である可能性があります」と、MITの機械工学の大学院生であるQifan Yu氏は述べています。 チームは、この新しいデザインが、ユーザーがビデオゲームのキャラクターや遠隔操作ロボットを物理的に操作するために快適に着用できる、ソフトでしなやかな衣服に仕立てられると想像しています。 このシートは、物理療法の現場でも使用でき、患者の脚や腕に巻き付けて、各セッション中の可動域と運動範囲を追跡・記録することができます。 ビデオを再生 「物理療法では、例えばリハビリ中に患者が腕をどのように動かし、伸ばしているかについてのデータを収集する必要がよくあります」とYu氏は述べています。「表面形状センシングはこのように非常に役立つ可能性があります。」 Yu氏と同僚は、学術誌Advanced Intelligent Systemsに掲載された研究で、このデザインを発表しました。MITでの共著者には、大学院生のNina Cao氏と、機械工学の准教授であるKaitlyn Becker氏が含まれます。 光の形状 チームの形状感知デザインは、標準的な光ファイバーの改良版です。 導波路としても知られる光ファイバーは、光を効率的にファイバーを通して導くように設計されています。光ファイバーは、ガラスのような透明な素材のコアと、暗く不透明なクラッド（被覆）で構成されています。 一方の端から光が送られると、暗いクラッドがガラスコア内の光を閉じ込め、コア自体は非常に滑らかであるため、光はほぼ完璧な効率でファイバーをまっすぐに通過します。 導波路は、超高速で効率的なデータ伝送や電気通信のための光ファイバーケーブルに使用されています。 科学者たちは、導波路を単純な形状センサーとしても実験してきました。ファイバーが曲がると、それを通過できる光の量に影響します。ファイバーが曲がるほど、反対側から出てくる光は少なくなります。 したがって、出てくる光の量は、ファイバーがどれだけ曲がったかの尺度となります。このように、光ファイバーは単純な曲率を感知するために使用されてきました。 「人々は導波路を線の形状を感知するために使用しており、それをロボットアームに適用して、どのようにカーブするかを見てきました」とYu氏は述べています。「しかし、それらは表面形状センシング、つまり表面の3D形状を再構築するために適用されていません。それが私たちがここでやろうとしていることです。」 ファイバーの改良 彼らの新しいデザインでは、研究者たちは独自の光ファイバーを、いくつかの工夫を凝らして製造しました。 従来の導波路と同様に、彼らは透明なコアと暗いクラッドでファイバーを製造しました。 硬いガラスの代わりに、透明で柔軟なゴムコアと、黒く染色された同じゴム状素材で作られたクラッドを使用しました。 そして、コアを完全に滑らかにするのではなく、意図的に片側を粗くしました。 彼らは、ファイバーの片側がもう一方よりも粗い場合、ファイバーがある方向に曲がったときに、通過する光が粗い表面で散乱し、反対側から出てくる光の総量に影響を与えると推測しました。 これは、ファイバーが同じ角度で、しかしファイバーの滑らかな側に向かって曲がった場合に通過する量とは異なる量になります。 このように、半分粗くされたファイバーは双方向の形状センサーとして機能するはずです。 チームは複数の双方向光ファイバーを製造し、それらをシリコンのソフトシートに埋め込むことを検討しました。シートの形状が曲がったりねじれたりする際にファイバーがシートの形状を再構築するように配置しました。 そのために、研究者たちは、単純な市松模様から交差したジグザグ配置まで、さまざまな光ファイバーパターンを埋め込んだシートのシミュレーションを実行しました。 彼らはシートを曲げたりねじったりするさまざまな方法をシミュレーションし、各シート構成のファイバーからの光出力を測定しました。 これらの光測定値を、各ファイバーがどれだけ曲がる必要があるかの推定値に変換し、それらを組み合わせてシート全体の3D形状を構築しました。そして、それを元のシミュレートされたシート形状と比較しました。 これらのシミュレーションから、ジグザグ状のファイバーの特定の配置が、シートの元の形状を最もよく再現することを発見しました。 次に、研究者たちは、シートに埋め込まれた同じジグザグパターンの光ファイバーを使用して、形状感知シートを製造しました。 各ファイバーの一方の端にLEDを、もう一方の端に光センサーを組み込み、それらを外部回路基板に接続して光測定値を収集・増幅しました。 また、ファイバーからの測定値を、シート全体の3D形状の再構築に自動的に変換するアルゴリズムも開発しました。 実験では、研究者たちがシートをさまざまな形にねじった際に、アルゴリズムがリアルタイムに近い形でシートの仮想再構築をスムーズに作成することを示しました。 例えば、シートを対角線に折り、次に反対方向に折ると、仮想の双子が変化する形状をほぼリアルタイムで模倣しました。 また、シートをさまざまな3Dプリントされた金型に入れて、デジタル再構築されたシートと金型の上に置かれた物理的なシートとの違いを正確に測定できるようにしました。 これらのテストでは、ソフトセンシングシートが他のデザインよりも正確であることがわかりました。 「実際の表面と再構築された表面の間の距離を表すメトリックを使用しており、その結果、誤差は0.4センチメートル未満でした」とYu氏は述べています。「硬いセンサーに基づいた既存のデザインは、1〜2センチメートルの誤差があります。したがって、これは respectable であり、少なくとも既存の技術と同等です。」 チームは、まずシートを薄くすることで、センシングシートをさらに最適化する予定です。現在、光ファイバーは1ミリメートルの厚さです。他の製造プロセスでは、厚さを削ることができるかもしれません。