触覚をもった柔らかいロボットが未来を拓く

大西研究室を中核とするハプティクス研究センターでは、これからの成熟社会においてキーテクノロジーとなる、ハプティクスという力触覚（りきしょっかく）の伝達技術を世界で初めて実現しました。そして、この力触覚の伝達、遠隔操作、再現を可能にするハプティクスの基本原理は慶應義塾大学により特許化されています。
このハプティクス研究センターでは、リアルハプティクス技術を応用した新しいソリューションを創出することを目指し、学外とも連携してさまざまな融合的研究開発を行っています。

ハプティクスとは「利用者に力、振動、動きなどを与えることで皮膚感覚フィードバックを得る技術」であると国際ハプティクス学会で定義されています。一方、リアルハプティクスとは、私たち人間が押したり、握ったり、さすったりして硬さや弾力、動きを感じて得る情報を物体と双方向で伝送し、力触覚を再現する技術です。この力触覚は人間の優れた判断力と柔軟さを支えている本能的感覚です。これによって人間はキャッチボールをしたり、ポテトチップスを口に運んだりする動作がスムーズに行え、また「マジックテープをはがす」感触や「綿」「風船」「スポンジ」の弾力を感じ分けたり、足裏に伝わる「砂利道」や「ゴムで滑りにくい床」の感覚、「何かが当たる」あるいは「不意に引っ張られる」衝撃を感じ、瞬時に最適な行動姿勢を調整したりすることができます。

機械には、こうしたリラックスして構える「柔らかい運動」＝「力覚を実現すること」が難しく、最先端のロボットでも、「硬い運動」しかできないため、ボールが掴めず、ポテトチップスをアームに挟んでもたちまち割ってしまいます。力のコントロールができない危険性ゆえに、一般社会の現場にサービスロボットが広がらない障壁ともなっていました。

動作には、必ず相反する2つの対等の働き、硬い運動（位置制御）と柔らかい運動（力制御）があり、この矛盾する2つを同時に達成して問題を完全解決したのが、ハプティクスの技術です。革新的理論と高速ICT（情報通信技術）により、従来のロボットに抜け落ちていた力触覚を装置に実装し、人工実現させました。優しく触れられる、柔らかいロボットの誕生です。
このソフトロボティクスの技術を用いれば、力触覚の長距離伝達、縮小・増幅、記録コード化による再現も可能になり、社会での活躍場面が広がります。

2050年には65歳以上が40％を占める超高齢化社会を迎える日本は、世界に先んじた課題先進国です。ハプティクス技術の可能性は無限大ですが、こうした超成熟社会を見据え、多くの課題解決に向けて、個人の身体性に基づいた支援もできるハプティクスの基本技術が慶應義塾から生まれたのです。大西研究室とハプティクス研究センターでは、リアルハプティクス技術の実用化に向け、個人対個人、個人対ロボット、ロボット対実世界などで考え得る、柔軟に接触行動や人間支援ができるロボットの創造に取り組んでいます。

具体的には、二足歩行ロボットや医療触覚鉗子、遠隔地の医師と患者の間でリハビリの動作情報が送れるロボット、あるいはヒューマノイドロボットの基礎となる、より少ないエネルギーで障害物との接触時の衝撃を抑えて歩ける大西研究室オリジナルのパラレルリンク型ロボットなどです。また伝承の技や熟練の技術を再現できるロボットや、年代ごとの動作を保存しておき、衰えてきた動きの復元をサポートするロボットも実現可能になります。ソフトロボティクス技術にさらにAIや画像処理を組み合わせたフレンドリーなロボットもできるでしょう。もちろん、災害復旧、医療、土木など想定外事象が頻発する現場、微細作業が伴う手術や介護、人間にとって危険な領域の探索などでの活躍も期待されます。

こうした人に優しいロボットが広がれば、人間本来の力触覚の優れた判断力と柔軟さ、そして機械の力強さと確実さを組み合わせ、さらにネットワーク上に機械、人、操作コンテンツをダイナミックに連結機能させるIoA（Internet of Actions）の世界も広がっていくはずです。
このような新しい機械と人間、あるいは人工物と人間がどうやって共存していくかも、次のテーマになってきます。新しい技術を普及させるには高いインテリジェンスが必要なのです。

『百聞は一触に如かず』で、実際に力触覚通信を実装したマスター（主）・スレーブ（従）型ロボットハンドを体感すると、離れたところにあるスポンジや風の感触が、自分の手元で得られることに驚きます。そして、力を検出するセンサーなどは何も付いておらず、一見するとありふれた装置なのに、勝手に力が伝わって動き、まるで魔法のように感じられます。

その仕組みは次のように説明できます。まず、操作者がマスター側のアクチュエーター（モーターなど動作を引き起こすデバイス）装置に作用力を加えると、離れたスレーブ側のアクチュエーター装置がまったく同じ動きをするとともに同じだけの作用力を対象に加えます。そのとき対象がスレーブに押し返す反作用力と同じだけの反作用力をマスター側アクチュエーターで発生させることで、あたかも操作者が遠くにある対象を実際に触っているのと同じ力触覚が得られます。この一連の制御動作を1万分の1秒ごとに行いますが、用いるデータはそのときの動作軸の変位だけで、あとは高速演算機能と最新の通信技術によって実現しています。

これにより、スレーブ側のロボットハンドにスポンジや風を当てると、マスター側の手の先にそれらを跳ね返す感触が出現します。力触覚通信は双方向の応答ができ、主従どちらからも力を伝えられます。

「ハプティクス技術の原理は単純にいえば和差算で、数学的にはアダマール行列というものです。アダマール変換をロボットに使ったのは世界初の試みかもしれません。和差算の和の部分が付け加わると、機械が急に柔らかくなります。この原理に気がつき、数式にクリアにフォーカスできると、あとは数式が饒舌に語りだし、応用の道筋が広がっていきました」と大西教授は語ります。

「原理の萌芽は34年前です。基本の基本から積み重ねてきた緻密な厚みの上に完成した技術の集大成で、研究室の卒業生は約300人。その一人でも欠けていたらできなかった発明でした。こうした最先端の技術を社会にどう組み込んでいくか、技術がよりよく社会に入っていく未来を考えることは、30年、40年先の世代に対する私たちの責任ですし、その技術をどう支援していくか解を出すのも我々総合大学の使命であると思います」

大西公平

1980年東京大学大学院工学系研究科博士課程修了。工学博士。同年慶應義塾大学工学部電気工学科助手。1996年より理工学部システムデザイン工学科教授。

2001年IEEEフェロー、2004年EPE-PEMC Council Award、IEEE Dr.-Ing Eugene Mittelman Achievement Award、2008年電気学会業績賞、2011年電気学会フェロー、2012年日本学術会議会長賞、福澤賞などを受賞。2008～2009年IEEE Industrial Electronics Society President、2015～2016年電気学会第102代会長などを歴任。2014年より日本学術会議会員。

専門は電気電子工学。特にパワーエレクトロニクス、モーションコントロール、ロボティクス、ハプティクスなど。

※所属・職名等は取材時のものです。