『マシンタッチ』第1章：ヒューマンタッチ

古来より、人間の身体に対する理解は、非常に誤解を招きやすく、偏っていました。たとえば、アリストテレスは、生き物の支配的な感覚能力が知能を決定すると信じていました。ワシは人間よりも遠くの視力を持ち、犬はより優れた嗅覚を持ち、猫はより鋭い聴覚を持っていますが、人間はより洗練された触覚を持っているからです[アリストテレス『魂について』第2巻]

現代科学がそのような結論に直接同意するわけではないことは明らかですが、人間の五感の中で、触覚は最も大きく、最も広く分布している感覚です。一般人がいつでもどこでも最も直接的な触覚体験を得ることができるにもかかわらず、そのメカニズムは研究者たちが数十年にわたって完全に解明できていない問題でした。2021年のノーベル生理学・医学賞は、人間の触覚の分子メカニズムを発見した研究により、デビッド・ジュリアス氏とアーデム・パタプティアン氏に授与されました。このノーベル賞により、より多くの人が触覚の重要性を認識し、ヒューマンタッチとマシンタッチの研究に投資するようになりました。Pinial Robotは、2020年の設立以来、触覚センサーと製品の開発を行ってきました。過去2年間、製品の継続的な進歩と応用により、触覚が非常に興味深いことに誰もが気づきました

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この記事では、まず、接触の知覚と伝達、中枢神経系による接触の処理など、接触に関する知識体系を確立します。読者の皆様には、「1 万のなぜ」から始めて「10 万のなぜ」で終わることを願っています。タッチに関する他にも興味深い質問がある場合は、公式アカウントにメッセージを残していただければ、一緒に解読してみます。

この記事の資料は、現段階で科学研究者による人間の接触に関する非常に限られた理解を示すことしかできず、調査できない詳細が多く、さらには根本的な誤りがあるはずです。したがって、先人たちの仕事をできるだけ厳密に表現するように努めていますが、私自身の理解と仕事の成果もありますので、読者の皆様にアドバイスをお願いします。

人間の接触受容体

人間の皮膚は、外側の表皮、中央の真皮、内側の皮下組織という 3 つの主要な組織層で構成されています。皮膚に毛があってもなくても、全体的な構造は同じです。それらの主な違いは、無毛皮膚は厚くて波状であるのに対し、有毛皮膚は薄くて平らで、細い軟毛とわずかに太くて長いガード毛があることです。人間には、指、手のひら、足の裏、唇、乳首、性器の内側にのみ無毛の皮膚があり、表皮の波状の谷が独特の指紋、掌紋、足底紋、唇紋などを形成します。

これらの皮膚組織層は、血管と汗腺で覆われていることに加えて、接触を検出して中枢神経系に信号を伝達する特殊な接触受容細胞も備えています。さまざまな種類の接触受容器がさまざまな場所に配置されており、体の各部分に特定の接触感覚の組み合わせが与えられます。人間は、これらの接触受容器のおかげで、複雑な指の操作を簡単に実行したり、繊細な愛撫を経験したり、痛みを感じることさえできます。

触覚受容体は、接触の機械信号を神経終末の電気信号に変換します。その変換メカニズムは、前述のノーベル賞受賞者によって発見されたイオンチャネルです。異なる受容体では、イオンチャネルのスイッチング機構も異なり、異なる触覚信号エンコード機構を提供します。

毛のない皮膚では、次のタイプの接触受容体が優勢です。

• メルケル細胞：表皮の内側の凹み部分をタコのように触手で掴み、皮膚の微細な曲率変化を感じ取ることができます。さらに、各メッケル板は独立した神経線維によって中枢神経系とつながっており、触覚受容器の中で最も強い空間位置決め能力を持っているため、触れた形状や質感に特に敏感です。メルケル椎間板は 0.05 mm から 1.5 mm のくぼみを感じることができ、くぼみができると神経線維に伝達される信号は継続し、より深いくぼみはより強い信号を引き起こします。メルケルディスクは指先、唇、舌に特に密に分布しています。

• マイスナー小体：形状は小さな袋状で、真皮と表皮の端に分布し、外側に膨らんだ部分です。この小さな袋は、皮膚が圧迫されると変形し、連続的な信号ではなく一時的な信号を放出します。したがって、低周波の振動が繰り返されると、発する信号がより刺激的になります。そのため、物を持ち上げるときに滑るときに発生する振動と同様の振動が、マイスナー小体の信号を活性化します。指先にはメルケル円盤よりも高密度に分布していますが、残念なことに、10平方ミリメートルの領域内のすべてのマイスナー小体は1つの神経線維を共有しているため、空間内での位置は非常に曖昧で、物体の微妙な特徴を区別することができません。さらに奇妙なのは、これらの神経線維が脳ではなく、条件反射である脊髄回路に入ることです。伝送経路が短く、処理時間が短く、応答が非常に速いため、滑り落ちそうな水ガラスを無意識のうちに掴むことができるという利点があります。

• パチニ小体：タマネギのような層状の袋状をしており、マイスナー小体より大きく、真皮の深部に分布しています。パチニ小体は 200Hz から 300Hz の弱い高周波振動にのみ敏感ですが、その他の特性はマイスナー小体と非常に似ており、信号は瞬間的であり、空間位置には影響されません。その機能は、ペンがどの紙に書いているかを判断するなど、振動を通じてツールのもう一方の端の状態を判断することです。

• ルフィニ神経終末：これは、真皮の奥深くに平行に分布する長い細長い袋であり、水平方向の伸びのみに敏感であり、密度が非常に低いため、その空間的位置は敏感ではありません。 Ruffini チップは、皮膚の牽引を通じて関節の姿勢を決定できます。

• 自由神経終末：表皮につながっており、点在しており、痛み、温度、かゆみに敏感です。

人間の体のほとんどの皮膚は有毛皮膚です。毛深い皮膚では、上記の触覚受容器の分布密度ははるかに低く、毛包の周囲に分布するメルケル板に加えて、主に毛の屈曲や周囲の組織の引っ張りによって触感が生じます。これは、その周囲に巻き付けられた別のタイプの触覚受容体です。

• 縦針型チップ：メルケルディスクによる連続信号に比べ、縦針型チップは毛髪の変形により瞬間的な信号を生成し、感度が優れています。この触覚受容体の感覚は髪の動きによってもたらされ、必ずしも皮膚に直接接触するわけではないため、人間はこの種の接触によって感情を表現することが多いです。

これまでに 6 種類の接触受容体を見てきましたが、人間の脳の接触皮質の大部分はメッケル板からの信号を処理します。メルケルディスクはなぜそれほど重要なのでしょうか?なぜなら、人間の最も繊細な作業はメルケルディスクに依存しているからです。

事実の 1 つは、目の見えない人は指先以外の点字を読むのに唇と舌しか使えないということです。足の裏などの他の部分は、指よりもわずかな接触に敏感ですが、点字の形状を区別することができません。その理由は、指先以外では唇と舌のみにメルケル円板が密に分布しているためです。

もう 1 つの興味深い事実は、指の形状に関係なく、誰もがほぼ同じ数のメルケル円盤を持っていることです。研究者らは、このことがなぜ女子の小さな手がより敏感で柔軟であるかを説明するのではないかと推測している。なぜなら、小さな手にはメルケル円盤がより密に分布しており、これらの手により微細な構造を識別する能力が与えられているからである[Ryan M. Peters, etc., Diminutive Digits Discern]繊細な詳細: 指先のサイズと触覚空間鋭敏の性差]。

接触の神経伝導

人体の神経系は、「体の内外の環境の変化を感知して分析し、発信する情報の変化を通じて体全体を制御して対応する」役割を担っています。より簡単に言うと、人体のセンサーとプロセッサーです。

中枢神経系と末梢神経系は連携して感覚情報を伝達および処理し、身体機能を調整します。中枢神経系には、制御センターとして機能する脳と脊髄が含まれます。体全体の感覚器官や神経からデータとフィードバックを受け取り、その情報を処理してコマンドを送り返します。末梢神経系の神経経路は、入ってくる信号と出ていく信号を運びます。 12 対の脳神経が、脳を目、耳、その他の感覚器官、さらに頭と首の筋肉に接続しています。脊髄から胸部、腹部、手足の組織まで31対の脊髄神経が伸びており、その機能に応じて感覚神経と運動神経に分けられます。感覚神経は神経インパルスを受容体から中枢に伝達し、運動神経は神経インパルスを中枢から末梢に伝達する運動単位です [visiblebody.com、脳と神経: 神経系のロックを解除する 5 つの鍵]。

人間の神経系は非常に発達しており、基本的な身体の調節や内臓機能の調節に加えて、言語、科学、感情などの複雑な行動も担っています。ここでは、触覚に関係する身体の部位、つまり感覚神経と運動神経を中心に説明します。

神経はいくつかの神経束に包まれており、神経束はいくつかの神経線維に包まれています。神経線維は神経伝導の単位構造です。

前に述べたように、中枢神経系は、特定のメルケル円板をそれぞれ特定する必要があります。たとえば、システムの観点から見ると、方法は 2 つしかありません。第二に、複数の受容体が信号を伝達するために神経線維を共有しますが、各受容体によって送信される信号の内容には、それ自体のアイデンティティのコーディングが含まれる必要があります。

人間の接触受容体が単純な電気信号を発することはすでに知られていますが、現在観察できるのは、その電位のレベルと持続時間によって表される情報量です。「モールス信号」または「バイナリ」の使用を裏付ける証拠はありません。自分のアイデンティティや立場を表現すること。したがって、私はこの結論にのみ同意できます。つまり、理想的には、各メルケルディスクが独立して 1 本の神経線維を占有することになります。

複数のマイスナー小体またはパチニ小体が樹状突起を介して神経線維を結合しているため、位置に敏感ではなく、指はそれらを介して特に微妙な振動を感じることができますが、大まかな位置しか取得できず、この信号は脊椎に影響を与え、脳には入りません。その代わりに、メッケルディスクは独立して神経線維を占有しており、非常に密度が高いため、指はメッケルディスクを通じてタッチされた各位置の非常に細かい曲率を感じ、脳を通じてタッチされたオブジェクトの正確な形状を合成することができます。

そこで問題は、人間の手には何本の神経線維があるのか​​ということです。

具体的な数字は見つかりませんでしたが、接触受容体の数とそれに対応する運動神経から推測すると、人間の手の神経線維は約 10,000 本あるという結論に達しました。

感覚神経と運動神経の線維径は0.3ミクロンから22ミクロン［人民医学出版社、全身解剖学、第9版］、このうちメルケル円板に相当する神経線維は、1万本の神経を想定すると約10ミクロンの線維が束ねられています。一緒になって神経を形成し、神経束の神経上膜と神経上膜を加えます。その結果はミリメートルスケールになるはずです。

これは何という魔法のような結論なのでしょうか。長年ロボットとして働いてきた私には、どのロボットでも腕に 10,000 本のワイヤーで構成される神経を取り付けることができるとは信じられません。ましてや、その神経の直径がわずか 1 ミリメートルであるとは信じられません。したがって、ロボットは時間を空間と交換することしかできず、時分割サンプリングおよびコーディング手法を使用してライン数を削減します。

では、神経線維はどれくらいの速さで伝導を行うのでしょうか?

基本的な結論は、神経線維の直径が大きいほど、伝導速度が速くなるということです。指から脊椎までの神経線維の長さを 1 メートルと仮定し、伝導速度から計算すると、固有受容神経と運動神経の間の遅延は 1/120 ～ 1/70 秒であり、メルケル円板、マイスナー小体、パッシ間の時間遅延はNi小体とルフィニの末端は約1/70～1/30秒、痛みと温度の時間遅れは1/30～1/12秒、毛深い皮膚の感情を司る毛包の時間遅れは最も遅く、 1/2 ～ 1/0.6 秒 [人民医学出版社、全身解剖学、第 9 版]。

言い換えれば、ロボットが人間の環境で正常に対話する必要がある場合、触覚センシング システムの遅延は約 1/60 秒に達する必要があり、一方、モーション コントロール システムの遅延は 1/120 秒に達する必要があります。この要件はそれほど高くなく、ロボット センサーの時分割サンプリングのためのスペースも提供します。

中枢神経系による接触の理解

皮膚の触覚受容体の信号は、神経線維を通って脳幹に伝わり、さらに視床および皮質に伝わります。実際、大脳皮質には皮膚全体の触感に対応する位置があり、この部分は一次体性感覚野と呼ばれ、一般に隣接する部位の皮膚も一次体性感覚野に隣接している。私たちが皮膚の特定の部分に触れられたと意識的に感じるのは、大脳皮質の対応する部分が活性化されるからです。特に、メルケル椎間板が高度に集中している皮膚の領域と、一次皮質の対応する責任領域が拡大します。

各神経線維からの情報は体性感覚皮質の各部位に伝達されますが、切断などの異常事態が発生すると、身体の特定部位に入力された受容体が消失します。ボディ部分は通常、隣接する部分の「侵入」です。たとえば、切断者の顔に触れると、その人は存在しない手に接触感覚を感じることが観察されています。体性感覚皮質マップでは顔と手の領域が隣接しているため、これは「侵入」または「皮質の再構成」によるものである可能性があります[Azadeharjmandi、Chasing a Ghost: Unraveling the Secrets of Phantom Limb Pain]。

一部の実験では、外部電極を使用して一次体性感覚皮質を刺激し、人々に疑似的な接触を与えようとしています。しかし、これまでのところ、これらの単純な脳刺激によって得られる触感体験は非常に粗く、豊かなディテールに欠け、自然な触感とは全く異なり、人々に没入感を与えることができません。

一次体性感覚皮質は、接触の根底にある特徴を抽出する責任を負い、さらに高度な体性感覚皮質は、これらの特徴を要約して識別し、認識結果を感情、運動、恒常性を担当する領域に渡す責任があります。

たとえば、ハグ、手を握る、愛撫などの接触行動は心地よい接触と呼ばれ、精神的な幸福や健全な発達にとって重要です。ある研究では、心地よい触感をコード化して伝達する触覚受容器と脊髄神経回路機構を特定した[Benlong Liu 他、心地よい触感の分子と神経基盤]。

別の例は人間の固有受容です。固有受容には 3 つの側面が含まれます。関節の空間的位置の識別と感知を指す関節位置感覚、関節の動きの方向と速度の識別と感知を指す運動感覚、および関節に作用する力の識別と感知を指します。関節または関節内で発生する力。私たちの筋肉、関節、筋膜には固有受容に関連する接触受容器が備わっており、前述のルフィニ小体もその 1 つです。私たちの体が動くたびに、筋肉、関節、筋膜の触覚受容器が動きの情報を受け取り、求心性神経を介して脳に伝達されます。そして、脳はさまざまな動きの情報を統合して処理し、適時に反応することで、体のすべての部分が協調して動作し、スムーズに動くことができます。

高次体性感覚皮質のもう 1 つの役割は、触覚刺激に対する期待を処理することです。この期待は人生の経験の中で形成され、その出来事が起こる前にすでに脳の中に存在しており、実際の刺激に対する私たちの感じ方にも影響を与えます。例えば、目を閉じて物に触れたときに、それがきれいなタオルだと言われれば嬉しくなりますし、他人が使ったタオルだと言われれば嫌な気持ちになります。

さらに、脳が触覚刺激を期待することで、運動中の動きを修正することもできます。

視覚障害者はどのようにして触覚マッサージを受けているのでしょうか？

この記事の冒頭では、読者にいくつかの小さな質問を提起します。これを読んだ後、あなたは基本的に答えを見つけたと思いますので、それらのうちの 1 つに対してのみ枠組み的な答えを提供したいと思います。視覚障害者に対するマッサージの問題は、触覚システムの応用の典型的な例です。視覚障害者は、日常生活において健常者よりも触覚に依存しているだけでなく、実際、視覚障害者のかなりの割合が特にマッサージを受ける資格があります。人々はマッサージを仕事として利用しています。マッサージは特に視覚的な参加を必要とせず、触覚を使用して完了できることがわかります。視覚障害者はどのようにして触覚マッサージを受けているのでしょうか？

• 生まれつき目が見えない、または幼少期に目が見えない視覚障害者は、より鋭い触覚システムを持っています。視覚障害者は視覚信号を処理する必要がなく、神経系は非常に強い可塑性を持っているため、脳の視覚野の機能が転移し、その一部は触覚処理を強化し、一部は聴覚および言語処理を強化します。 [Merabet, L.、Pascual-Leone, A. 感覚喪失後の神経再構成: 変化の機会]。Nat Rev Neurosci 11、44–52 (2010)。

• 長い人生経験と基本的なマッサージ訓練を経て、視覚障害者の強化された触覚システムは、まず頭の中に一連の構造化された人体モデルを持ちます。構造化された人体モデルについては、ここでは詳しく説明しません。これについては、文字通りの意味から簡単に理解できます。 、それは各基本的なマッサージ動作のトレーニングであり、これらの基本的なアクションをメタアクションと呼びます。メタアクションを実行するプロセス中に、どのようなタッチが適切で効果的であるかをトレーニングする必要があります。

• 基礎トレーニングの結果を受けて、次のステップは、特定の疾患と基本的なマッサージ動作を関連付けるための上位レベルの理解トレーニングを実施することです。ほとんどの盲目のマッサージ師にとってこのステップは、伝統的な中国マッサージの理論と実践に基づいており、このレベルのトレーニングの結果、特定の条件に従ってマッサージ計画を立てることを学びます。

• マッサージの開始時に、視覚障害者のマッサージ師は、顧客の構造化された人体モデルの特定のパラメーターを決定するために、明らかな特徴を持つ顧客の体のさまざまな部分を手を使ってテストします。つまり、視覚障害者がゲストの体型や姿勢、筋肉の柔らかさや硬さを触覚で測定し、ゲスト自身の人体モデルを頭の中で合成し、肩の筋肉の緊張や凝りなどの身体の異常を最初に特定するのです。 。

• 前のステップで取得した構造化人体モデルの例と顧客の要件に基づいて、盲目のマッサージ師は頭の中で完全なマッサージ プランを迅速に計画しました。このマッサージプランは、まず肩や首をほぐす→腰をほぐす→肩の凝り固まった筋肉をほぐす→膀胱経を押す…といった機能的な配置であり、次にそれぞれの機能を具体的な適応症に基づいて推定したものです。人体モデルのパラメータ（アクションの目標位置と振幅、マッサージ師の手と顧客の身体の間の予想される接触状態など）。

• マッサージは正式に開始されます。各機能の配置は一連のメタアクションで構成されており、盲目のマッサージ師は脳をあまり使わずに自然にマッサージを完了できます。メタアクションが実行されると、触覚システムも機能し、人間の手の 4 つの主要な触覚受容体がリアルタイムの接触状態を取得し、それを脳内の通常の訓練で予想される接触状態と迅速に比較し、調整します。メタアクション。より望ましい結果を達成するためのアクションの実行。

• マッサージプロセス中、顧客の姿勢は頻繁に変化し、マッサージの位置、テクニック、強度に対する顧客の要求は変化する可能性があります。盲目のマッサージ師は頭の中で構造化された人体モデルを即座に調整し、メタアクションの制御パラメータを実装します。そうすることで初めて、マッサージ全体が正常に完了することができます。

盲目のマッサージ師は非常に複雑なプロセスを完了しました。人間がマッサージなどのプロセスを実行する場合、脳内の人体モデル、マッサージの理論モデル、熟練したマッサージ技術、強化とマッサージの動きの確立を学ぶには長い時間がかかるため、トレーニングプロセスにより多くの時間を費やすことがよくあります。ハードな練習に関連した筋肉を通じて。しかし、実際の操作では、強化された触覚システムと筋肉制御システムが、訓練された脳と組み合わされて、より快適であるように見えます。そういえば、今はマッサージ師として働きたいという若者がほとんどいないのですが、今後はマッサージを機械に頼らなければならないのでしょうか？市販のマッサージチェアがハードなマッサージしか提供していないことを考えると、人間と同じように柔軟なテクニックが使えるマッサージ機の早期登場を誰もが期待しているのではないでしょうか。

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バイオニクスは人類の科学の進歩にとって最良の教師です。

私はいつも新しいアイデアが多すぎる、そしてそれらのアイデアは実行するのが少し難しく、テクノロジーの原理に影響を与えることさえある、と会社の同僚から不満を言われました。私がこれらの新しいアイデアを推進するのを聞くたびに、人々はそれが将来に与える影響について興奮しますが、同時に、追いつくために毎日戦わなければならないと不満を漏らすこともあります。これらの新しいアイデアのおかげで、私たちは 1 年以上かけていくつかのインパクトのある製品をゼロから開発することができました。

それらの継続的な出現は、実際、人間自身の動作メカニズムの観察と思考と切り離すことができません。これがバイオニクスです。これが、最初の章で人間の感触についての私の理解を最初に説明した理由です。

では、機械はどのようにして人間と同等、あるいはそれ以上の触覚を実現できるのでしょうか?これらの技術的な詳細は次の章の内容ですが、この章でヒューマン タッチを理解することで、マシン タッチに関連する次の問題について事前に独自の推論を導き出すことができる場合があります。

• 理想的なマシンハプティクスはパフォーマンスのどのような側面を持つべきですか?

• 実際にマシンタッチが人間を超えることができるのはどのような点でしょうか?どのような領域に制限がある可能性がありますか?

• テスラの今後のユニバーサル ロボット「オプティマス プライム」を設計するとしたら、さまざまな部品にどのような触覚特性を持たせる必要がありますか?オプティマス プライムがあなたの設計したことを実現できるかどうかを推測してください。

 

ユアン・ウェイラン
2022.7 深セン