科学者たちは、人間の肌の感触を模倣し、さらには触覚の方向を感知して予測できる電子毛髪を備えたロボットを開発している。

ビッグデータダイジェスト制作

著者: カレブ

皆さんはたくさんのロボットを見たことがあると思いますが、これは見たことがありますか?

電子毛により、タッチの方向を感知し、予測することさえ可能です。

はい、人間と同じです。

少々「ブラックテクノロジー」ではあるが、ケムニッツ工科大学のナノ電子材料システム教授であり、統合材料、構造、ナノ膜センター（MAIN）の科学ディレクターであるオリバー・G・シュミット教授率いる研究チームは、電子皮膚システム（アクティブマトリックス）に統合できる、極めて高感度で方向依存の3D磁場センサーを開発する新しい方法を模索した。

研究チームは、まったく新しいアプローチを使用して 3D デバイスアレイを小型化および統合し、人間の肌の自然な感触を模倣するための大きな一歩を踏み出しました。

「私たちの方法は、機能センサー要素を 3D で正確に空間配置することを可能にし、並行製造プロセスで大規模に生産することができます」と、MAIN のシュミット教授の研究グループの博士課程の学生で、この研究の第一著者であるクリスチャン・ベッカー氏は言います。「このようなセンサーシステムは、既存のマイクロエレクトロニクス製造方法では生成が困難です。」

関連研究はNature Communications誌の最新号に掲載されました。

論文リンク: https://www.nature.com/articles/s41467-022-29802-7

折り紙技術は3Dセンサーとマイクロ電子回路を統合する

研究チームが提案したセンサーシステムの中核となるのは、いわゆる異方性磁気抵抗（AMR）センサーです。

AMR センサーは主に磁場の変化を正確に測定するために使用されます。現在は主に自動車の速度センサーや、各種機械の可動部品の位置や角度を測定するために使用されています。

非常にコンパクトなセンサーシステムを開発するために、研究者らはいわゆるマイクロ折り紙プロセスを活用しました。このプロセスは、AMR センサーコンポーネントを 3 次元の磁場ベクトル場を解析できる 3 次元アーキテクチャに折りたたむために使用されます。マイクロ折り紙により、多数のマイクロ電子部品を狭いスペースに収め、従来のマイクロファブリケーション技術では実現できない形状に配置できるようになります。

「マイクロ折り紙は20年以上前に開発されましたが、この技術の潜在能力が今や新しいマイクロエレクトロニクスのアプリケーションに活用できるようになったことは非常に喜ばしいことです」とオリバー・G・シュミット教授は述べています。

研究チームは、3D マイクロ折り紙磁気センサーの配列を単一のアクティブマトリックスに統合しました。これにより、個々のセンサーはマイクロ電子回路によって簡単にアドレス指定および読み取ることができます。

「アクティブマトリックス磁気センサーと自己組織化マイクロ折り紙アーキテクチャの組み合わせは、高解像度の3Dセンシングシステムを小型化して統合するためのまったく新しいアプローチです」と、プロジェクトのコンセプト、設計、実装に決定的な貢献をしたダニイル・カルナウシェンコ博士は述べています。

微細な毛がタッチの方向をリアルタイムで予測し感知する

研究チームは、磁性根毛を備えた3D磁場センサーを人工電子皮膚に統合することに成功したとみられる。

電子皮膚は、神経が織り込まれた有機皮膚と同様に、電子機器とセンサーが埋め込まれた弾性素材で作られています。

髪の毛に触れて曲げると、その下にある 3D 磁気センサーが磁気根の動きと正確な位置を検出できます。つまり、センサーマトリックスは、髪の毛の自然な動きを記録するだけでなく、動きの正確な方向を決定することもできます。実際の人間の皮膚と同様に、電子皮膚の毛の1本1本が、近くの変化を感知して検出できる完全なセンサーユニットになります。

3D 磁気センサーと磁性毛根間のリアルタイム磁気機械結合により、電子皮膚システムを通じて新しいタイプのタッチ感度認識が実現します。この機能は、人間とロボットが密接に協力する場合に極めて重要です。たとえば、ロボットは、意図的な接触や偶発的な衝突が起こる前に、人間の同伴者とのやり取りを事前に詳細に感知できるようになります。

ロボットの擬人化

近年、ロボットの擬人化は徐々に新たな開発トレンドになってきました。

例えば、昨年イギリスのエンジニアード・アーツチームが発表したロボット「アメカ」は、チームによって「ロボット工学の未来」と呼ばれ、人間ロボット工学技術の最高レベルを表しています。

まるでCG特殊効果のようなこれらの動きや表情を見ると、多くのネットユーザーが不気味の谷効果を思い浮かべるのも不思議ではない。

ロボットのハードウェアとソフトウェアはモジュール化されており、アップグレードや反復が容易で、独立して実行することもできると理解されています。つまり、完全なロボットは必要なく、ニーズに合わせて頭や腕を制御するだけでよい場合もあります。

プロジェクトチームは、AIは現在、通常はコードレベルにとどまっており、本物そっくりのロボット製品のような劇的な効果を発揮することはできないと紹介した。しかし、ソフトウェアレベルでは、AIプログラムとハードウェアレベルのシミュレーション表現技術の蓄積により、Amecaは誰とでも即座に信頼関係を築くことができます。

現在、アメカのスポーツ用具一式は上半身のみとなっており、下半身はまだ開発中です。

さらに、2021年には米国コロンビア工科大学のクリエイティブマシンラボがEVAロボットに関する研究を発表しました。新しいロボットは、笑顔などの表情に反応する柔らかく表情豊かな顔を持っています。

チームは部品の製造に3Dプリントを使用し、これらの精密で複雑な部品がEVAの頭蓋骨とシームレスに統合されていると理解されています。数週間のデバッグを経て、EVA は笑ったり、しかめ面をしたり、動揺した表情をしたりできるようになり、これらの表情にはある程度の真実味が生まれています。その後、研究者たちは、表情動画を「見て」、人工知能を使って他人の表情を「読み取って」、それを自分の「顔」に反映させることで、人工知能を使って顔の動きをプログラムするようEVAに指示し始めた。

このような：

1970 年に、人間がロボットや人間以外の物体に対してどのように感じるかを説明する「不気味の谷効果」が導入されました。この理論によれば、ある存在が「十分に人間らしくない」場合、その人間らしい特徴（ぬいぐるみの顔など）が目立ち、認識しやすくなり、人間に好かれやすくなるという。逆に、ある存在が「十分に擬人化されている」場合、その非人間的な特徴が顕著になり、人間の観察者の目には奇妙な感覚を生み出します。

現在、科学技術の進歩により、不気味の谷効果に基づき、ヒューマノイドロボットよりも現実的な分野では、不気味の谷の底に分類される研究結果も出ており、人々に不気味な感覚を与えています。

しかし、将来的には、テクノロジーの発展により不気味の谷効果が克服される日が来るかもしれません。楽しみに待ちましょう。