化学物質×HCI

本記事はHuman-Computer Interaction (HCI) Advent Calendar 2022 12日目の記事として浜崎(電気通信大学)が化学物質を用いた触覚提示について書きます．化学物質を塗布した際の感覚生起のメカニズムからHCIへの応用までを簡単にまとめます．昨日の記事は金子さん手触りの物理的な測り方とHCIへの活かし方についてでした．皮膚変形計測の根本的な知識からHCIへの応用の可能性まで書かれており面白い記事なので読んでみてください．

はじめに

触覚は触るだけで対象の形や硬さ，重さ，温度など見た目以上の情報を瞬時に知覚できます．例えば，頬に触れるだけでツルツルしていることや反発感があること，少し冷たいことなどを直接知ることができます．このように触覚の知覚空間の次元数は多く，特に素材の触知覚はマクロな粗さ（coarse or macroscopic roughness），ミクロ（ファイン）な粗さ（fine or microscopic roughness），硬軟，摩擦，温冷の5次元とされています [1]．
そのため，これらの情報を1つのデバイスで再現するのは困難です．また，触覚提示における様々な要求（指腹を覆わない，ポータブルであること，小型であること，消費電力，提示できる触覚のクオリティ，etc.）があることから多くの触覚提示手法が提案されています．
スマホやコントローラに内蔵されている振動子 [2]をはじめとしてピンアレイディスプレイ [3,4]や超音波 [5]，経皮電気刺激 [6]，静電触覚 [7]などが挙げられます（引用している論文はその中でも有名な論文で面白いのでぜひ読んでください）．今回紹介する化学物質もこれらに含まれます．化学物質は塗布するだけで感覚が生起するので非電源でかつ，長時間感覚が生起することが利点です．HCIに化学物質が使用されたのは最近ですが化学物質による触覚アプローチは1990年代から行われています．この記事では化学物質による触覚知覚の簡単なまとめからHCI研究までを書いていきます．

基礎的な知見

ミントの爽快感は冷たさ?

温度を検出するセンサーとしてTRPチャネル(Transient Receptor Potential)が機能しています．TRPチャネルは細胞膜に存在するイオンチャネル型受容体の一つであり，温度のみならず多くの化学物質，物理刺激に反応します．例えば，TRPM8チャネルは活性化温度閾値が25℃でありミントの成分として有名なメントールにも反応します．ミントを食べたときにスースーとする爽快感が得られる現象はこれが起因しています．また，化学物質を塗布することで皮膚温度を変化させなくてもTRPチャネルが反応するため活性化温度と同様の温度知覚を行います．
TRPM8が活性化するのはメントールだけではありません．ユーカリの成分であるユーカリプトールやローレルやローズマリーに含まれるシネオールも同様にTRPM8を刺激します．また，活性化温度閾値43℃の辛み受容体TRPV1も多くの成分によって活性化します．唐辛子の成分であるカプサイシンをはじめとして生の生姜の成分であるジンゲロール，熱した生姜に含まれる成分のショーガオール，黒コショウの成分であるピペリン等がそれにあたります．
この温度感受性TRPチャネルや機械刺激受容体Piezoチャネルの発見からDavid Julius博士とArdem Patapoutian博士が2021年ノーベル医学生理学賞を受賞しました[8,9,10,11]．私が研究を始めてすぐの受賞だったので驚きました．

温度感受性TRPチャネルの性質と主な発現部位，関連疾患 [12]

山椒のピリピリは何Hz?

化学物質は塗布するだけで温度感覚だけでなく機械的な触覚も生起します．花山椒の生理活性成分であるサンショールが受容体膜内での化学現象を誘発し，機械的振動に反応する低閾値の速順応性機械受容器線維(RA)に神経細胞の発火を誘導することが示されています [13]．また，サンショールによる唇のピリピリ感の知覚周波数が50±2.4Hzであることも明らかになっています [14]．さらに指先にサンショールを塗布した場合と塗布しない場合の振動触覚入力の絶対検出閾値を測定すると，240Hz の高周波振動(PC)や1Hzの低周波振動(SA)の検出は阻害されなかったのに対し，30Hzの低周波振(RA)の検出が大きく阻害されることが示されています [15]．この結果から，RAチャネルの異常な活性化がサンショールの持つ独特のピリピリ感に寄与していると考察されています．(この研究では針で皮膚を傷つけることで吸収を促進させているのですが被験者にはなりたくないですね…)

唐辛子とミントで灼熱感??

こちらは私の研究です（宣伝）．化学物質のみ（カプサイシンとメントール）を使用してサーマルグリル錯覚（TGI）を提示するもの [16]です．TGIは皮膚上に温刺激と冷刺激 を空間的に交互に与えると灼熱感や痛みを感じる錯覚現象です．この錯覚は皮膚に無害な温度刺激であっても痛覚の生起が可能な点が利点でVR空間上の痛み提示のようなエンタテイメント利用 [17]や痒み抑制 [18]などにも活用されています．この錯覚提示は主にペルチェ素子が使用されますが消費電力が高いという課題があります．そのため，化学物質を使用することで省スペース，省エネルギーでTGIが生起するか調査しました．
その結果，カプサイシンとメントールを隣り合わせに塗布することでTGI が生起することを確認しました．
化学物質のみを用いた温度提示は効果が消えるまでに時間がかかることや調整を行うことが困難であることから，リアルタイムに変化する環境を提示するVR用途よりは，痒み抑制のパッチ等への利用が見込まれます．
これらの結果をまとめて発表したIEEE Haptics Symposium2022にて幸運なことにHonorable Mentionを受賞しました．初めての予備実験では数人で暴君ハバネロとミンティアを同時に食べるということを行ったのですが，このように評価されるとは思っていませんでした．今後は基礎的な検討を行ったうえで実用化するためのデバイスを模索する予定です．

化学物質を用いたTGI

応用事例

Trigeminal-based Temperature Illusions

化学物質を使ったHCI研究の走りの研究であり，University of Chicago, Human Computer Integration Labの研究です [19](CHI2020 Best Paper)．
鼻腔内にユーカリプトール（TRPM8，冷覚）やカプサイシン（TRPV1，温覚）を噴霧することで感覚神経でTRPチャネルも存在する三叉神経を刺激します．これによりVR空間の温度の提示をペルチェ素子のような従来の温度提示手法より遥かに省電力で行うことが可能です．HMDへの取り付けが容易なのも素晴らしいですね．

Chemical haptics: rendering haptic sensations via topical stimulants

カプサイシンやメントールといった温度を提示する化学物質だけでなく，シンナムアルデヒド（シナモンの成分，チクチク）やリドカイン（麻酔の成分，痺れ），サンショオール（山椒や花椒の成分，ピリピリ）といった独特な感覚を提示させる化学物質を使用してVR体験を向上させる研究です．こちらもUniversity of Chicago, Human Computer Integration Labの研究です [20](UIST2021)．彼らの研究は非常にクレバーかつ論文の書き方が綺麗なので私の推し研究室の一つです．
前腕につけているデバイスはシリコンで出来ており，流路になるように彫られています．流路が閉ループになっていることやデバイスがself-containedであることからもこの論文が深く考えられていることが伺えます．また，頬への提示と前腕の提示でデバイスを分割しており，提示する物質も分割しています．VR空間の温度変化のイベントと前腕に提示するイベントで分割しているのでパラレルに刺激を提示することが可能です．さらに，頬の経皮吸収率（肌における物質の吸収率）は前腕と比べ約13倍高い [21]のでカプサイシンが低濃度でも感覚が生起しやすいので肌への負担も少ないです．理にかなっているなぁと感心しました．

Douleur: Creating Pain Sensation with Chemical Stimulant to Enhance User Experience in Virtual Reality

マイクロニードルを使用してカプサイシンを浸透させることで痛覚を生起させます．その場所にペルチェ素子で温熱・冷却刺激を与えて，皮膚の痛みをコントロールするものでChinese Academy of Sciences のTENG HANらの研究です [22](IMWUT)．
カプサイシンの特徴として高温に対する痛覚閾値を下げる効果があります [23]．その効果を利用してペルチェ素子で通常時は冷やし，痛覚を提示したいときだけ温めるといったイベント駆動を行っているので即応性のある痛覚提示VR体験が可能になっています．また，腕時計型のデバイスに化学物質やペルチェが組み込んであるのは見栄えがいいですよね．また，低濃度でもカプサイシンを浸透させ，痛覚を生起させるためにマイクロニードルを使用しています．山椒の研究 [15]では指を針（血糖値を計測するときに使用されるやつ）で傷つけてから実験を行っていましたがマイクロニードルとかでもよかったのではないかと思いましたね… 論文中の画像で顕著にマイクロニードルの効果が表れているので読んでみてください．

最後に

今回は化学物質を用いたHCIの基礎的な知見と応用事例を紹介してみました．この手法は感覚が生起するためのエネルギーが不要な点や独特な感覚を提示可能な点は利点ですが感覚のON/OFFや刺激の強弱といった制御が難しいことが欠点です．そのため，応用だけでなく基礎的な実験も双方向で行うべきだと考えています．
研究について興味がある方はご連絡ください!

2022年 12月12日 はま(@hamataku4)

参考文献

[1] 岡本 正吾. 粗さ・摩擦・硬軟・温冷の触知覚機序: 触感・テクスチャはこうして感じられている. 
https://www.comp.sd.tmu.ac.jp/hci/shogo_okamoto/papers/PerceptualMechanism.pdf
[2] Kouta Minamizawa, Yasuaki Kakehi, Masashi Nakatani, Soichiro Mihara, and Susumu Tachi. 2012. TECHTILE toolkit: a prototyping tool for design and education of haptic media. In Proceedings of the 2012 Virtual Reality International Conference (VRIC '12). Association for Computing Machinery, New York, NY, USA, Article 26, 1–2.
[3] Shigeo Yoshida, Yuqian Sun, and Hideaki Kuzuoka. 2020. PoCoPo: Handheld Pin-based Shape Display for Haptic Rendering in Virtual Reality. In Proceedings of the 2020 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems (CHI '20). Association for Computing Machinery, New York, NY, USA, 1–13.
[4] Sean Follmer, Daniel Leithinger, Alex Olwal, Akimitsu Hogge, and Hiroshi Ishii. 2013. InFORM: dynamic physical affordances and constraints through shape and object actuation. In Proceedings of the 26th annual ACM symposium on User interface software and technology (UIST '13). Association for Computing Machinery, New York, NY, USA, 417–426.
[5] Takayuki Hoshi, Masafumi Takahashi, Takayuki Iwamoto, and Hiroyuki Shinoda. 2010. Noncontact Tactile Display Based on Radiation Pressure of Airborne Ultrasound. In IEEE Transactions on Haptics, vol. 3, no. 3, 155-165.
[6] Hiroyuki Kajimoto, Naoki Kawakami, Susumu Tachi, and Masahiko Inami. 2004. SmartTouch: electric skin to touch the untouchable. In IEEE Computer Graphics and Applications, vol. 24, no. 1, 36-43.
[7] Olivier Bau, Ivan Poupyrev, Ali Israr, and Chris Harrison. 2010. TeslaTouch: electrovibration for touch surfaces. In Proceedings of the 23nd annual ACM symposium on User interface software and technology (UIST '10). Association for Computing Machinery, New York, NY, USA, 283–292.
[8] Michael J. Caterina, Mark A. Schumacher, Makoto Tominaga, Tobias A. Rosen, Jon D. Levine, and David Julius. 1997. The capsaicin receptor: a heat-activated ion channel in the pain pathway. In Nature, 389, 816-824.
[9] David D. McKemy, Werner M. Neuhausser, and David Julius. 2002. Identification of a cold receptor reveals a general role for TRP channels in thermosensation. In Nature, 416, 52-58.
[10] Bertrand Coste, Jayanti Mathur, Manuela Schmidt, Taryn J Earley, Sanjeev Ranade, Matt J Petrus, Adrienne E Dubin, Ardem Patapoutian. 2010. Piezo1 and Piezo2 are essential components of distinct mechanically activated cation channels. In Science, 330(6000), 55-60.
[11] Keiko Nonomura, Seung-Hyun Woo, Rui B. Chang, Astrid Gillich, Zhaozhu Qiu, Allain G. Francisco, Sanjeev S. Ranade, Stephen D. Liberles, and Ardem Patapoutian. 2017. Piezo2 senses airway stretch and mediates lung inflation-induced apnoea. In Nature, 541, 176-181.
[12] 富永 真琴. 2013. 温度感受性TRPチャネル. In 漢方医, vol.37 no.3, 164-175.
[13] B P Bryant and I Mezine. 1999. Alkylamides that produce tingling paresthesia activate tactile and thermal trigeminal neurons. In Brain Res, 842(2), 452-460.
[14] Nobuhiro Hagura, Harry Barber, and Patrick Haggard. 2013. Food vibrations: Asian spice sets lips trembling. In Proceedings of the Royal Society B, Biological Sciences 280.1770.
[15] Scinob Kuroki, Nobuhiro Hagura, Shin’ya Nishida, Patrick Haggard, and Junji Watanabe. 2016. Sanshool on the fingertip interferes with vibration detection in a rapidly-adapting (RA) tactile channel. In PLoS One, 11(12).
[16] Takumi Hamazaki, Miku Kaneda, Jianyao Zhang, Seitaro Kaneko, Hiroyuki Kajimoto. 2022. Chemical-induced Thermal Grill Illusion. In 2022 IEEE Haptics Symposium (HAPTICS), 1-6.
[17] Kumiko Kushiyama, Tetsuaki Baba, Kouki Doi, and Shinji Sasada. 2010. Thermal design display device to use the thermal tactile illusions: "Thermo-Paradox". In ACM SIGGRAPH 2010 Posters (SIGGRAPH '10). Association for Computing Machinery, New York, NY, USA, Article 99, 1.
[18] Ryo Watanabe, and Hiroyuki Kajimoto. 2017. Development and evaluation of vibration and alternating temperature stimuli of a roller-type itch-relief device. In International Journal of Affective Engineering, 16.1, 15-20.
[19] Jas Brooks, Steven Nagels, and Pedro Lopes. 2020. Trigeminal-based Temperature Illusions. In Proceedings of the 2020 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems (CHI '20). Association for Computing Machinery, New York, NY, USA, 1–12.
[20] Jasmine Lu, Ziwei Liu, Jas Brooks, and Pedro Lopes. 2021. Chemical Haptics: Rendering Haptic Sensations via Topical Stimulants. In The 34th Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology (UIST '21). Association for Computing Machinery, New York, NY, USA, 239–257.
[21] R J Feldmann, H I Maibach. 1967. Regional variation in percutaneous penetration of 14C cortisol in man. In J Invest Dermatol, 48(2), 181-183.
[22] Chutian Jiang, Yanjun Chen, Mingming Fan, Liuping Wang, Luyao Shen, Nianlong Li, Wei Sun, Yu Zhang, Feng Tian, and Teng Han. 2021. Douleur: Creating Pain Sensation with Chemical Stimulant to Enhance User Experience in Virtual Reality. In ACM Interact. Mob. Wearable Ubiquitous Technol. 5, 2, Article 66 (June 2021), 26 pages.
[23]  David B.Clifford, David M.Simpson, Stephen Brown, Graeme Moyle, Bruce J.Brew, Brian Conway, Jeffrey K.Tobias, and Geertrui F.Vanhove. 2012. A Randomized, Double-Blind, Controlled Study of NGX-4010, a Capsaicin 8% Dermal Patch, for the Treatment of Painful HIV-Associated Distal Sensory Polyneuropathy. In JAIDS Journal of Acquired Immune Deficiency Syndromes, vol.59, Issue.2, 126-133.