MetaMaterial x HCI

※これはHCIアドカレ3日目の記事です。
どうも、Marieこと、サクマという者です。
直近は、構造を工夫することにより物性を変化させる手法(Metamaterial)を用いて触覚提示を拡張する手法を提案することに興味があります。
今回は、Metamaterialとは何ぞやという話と、HCIに応用するとどう嬉しいのという話と、いくつか研究を紹介できればと思います。
釈迦に説法(どころか、この論文抜けているのでは？)の可能性がありますが、どうかお付き合いいただけるとありがたいです。

■Metamaterialとは?

Metamaterialという言葉は、現在ではおおよそ以下のように定義されています。

A synthetic composite material with a structure such that it exhibits properties not usually found in natural materials, especially a negative refractive index. (cited by Lexico)

つまりMetamaterialは

自然の材料ではありえないような物性を保持する人工的な複合材料

のことを指します。
例えば、負の屈折率[1]や特殊な電磁特性、負のポアソン比[2]を持つ構造がこれらに該当します。
この技術を用いることによって、音響/振動の伝搬特性の変更、アンテナの性能向上、光学顕微鏡の性能向上など、幅広い分野を拡張することができます。

■Metamaterial x HCI

早速ですが、HCIにおけるMetamaterialの発想を利用した提案の話に移っていきたいと思います。
HCIの分野でMetamaterialが注目されるようになった大きな要因は3Dプリンタの登場だと考えられます。それに伴ってHCI(というかデジタルファブリケーション)ではMetamaterialという言葉は3Dプリンタを用いて印刷不可能な物性を実現する構造というニュアンスも包含していると感じています。
Metamaterialの発想が3Dプリンタを用いたデジタルファブリケーションに与える利点は主に2点です。
1点目はインタラクティブな機構が一体的に印刷可能になる点です。3Dプリンタを用いて印刷される物体がインタラクティブな機能を持つためには、通常製作者自身がアクチュエータなど埋め込み機構を組み立てる必要があります。この問題に対して、特定の部分の構造をうまく変化させることで物性を操作するMetamaterialの発想を利用し、力の向きを変換することが可能となります。これにより疑似的に機構を再現することができます。
2点目は3Dプリンタでは印刷が不可能な素材の物性を3Dプリンタを用いて印刷が可能となる点です。現在の3Dプリンタは印刷可能な素材は限られています(FDMだとPLA, ABS, TPUあたり)。そこで、Metamaterialの発想を利用して構造を工夫することにより、3Dプリンタでは実現しえないような柔軟性やポアソン比を実現することが可能になります[3,4]。

では、実際にどんな研究が行われているのかという紹介をしていこうと思います。
一番多く取り組まれているものとしては力の伝播の方向性を制御する構造を利用してアプリケーションを作成する試みであると思います。
せん断方向の特性を操作することで一体的に印刷可能なドアノブなどの複雑な機構[5,6]や、柔軟性のある関節を含む可動可能なフィギュア[3,7]ようなアプリケーションが提案されています。
(補足ですが、7の文献の著者の方はMetamaterialを基軸としたプロダクトを作製する会社を起業されています。)

また、ちょっと変わり種ですが論理演算を含む物理的な機構(論文の例では、ナンバーキー)を作製する手法[8]や、

導電性の素材を組み合わせて使用することによって構造内部に圧力のセンサを組み込む試み[9]も行われています。

音響効果を利用して特定の範囲の振動を減衰させる手法[10]や折り紙工学に基づいたボタンなどの触覚デザインの設計[11]にも用いられています(折り紙工学とMetamaterialの境目がなかなか難しいのですが、今回は少しだけ紹介することにしました)。

最後に

今回はMetamaterialを用いたHCI研究に関して記事を書いてみました。
まだMetamaterialのような分野はHCIに入りたてで紹介できる研究が少なかったですが(私のサーベイ能力の欠如の可能性は高い)、少しでもMetamaterial X HCIの分野に興味を持ってもらえたり、少しでもMetamaterialっぽい研究がどんなものがあるのかなどの理解が進むような記事なっていれば嬉しいです。
構造の工夫をすることで(Metamaterialの発想を利用して)拡張できるHCI研究は多いと思うので、これからも目が離せない分野の一つではあると思います。

改めて、ここまで読んでくださってありがとうございました。
ほかにも面白い研究をしている・面白い視点を持っている人がたくさん記事を書くので、今後もHCIアドカレに注目してもらえればと思います。

Marie(@Marie_Haptic)

参考文献

[1]Slyusar, V. I. 2009. “Metamaterials on Antenna Solutions.” In.
[2]Lakes, R. 1987. “Foam Structures with a Negative Poisson’s Ratio.” Science 235 (4792): 1038–40.
[3]Schumacher, Christian, Bernd Bickel, Jan Rys, Steve Marschner, Chiara Daraio, and Markus Gross. 2015. “Microstructures to Control Elasticity in 3D Printing.” ACM Transactions on Graphics, 136, 34 (4): 1–13.
[4]Chen, Desai, Mélina Skouras, Bo Zhu, and Wojciech Matusik. 2018. “Computational Discovery of Extremal Microstructure Families.” Science Advances 4 (1): eaao7005.
[5]Ion, Alexandra, Johannes Frohnhofen, Ludwig Wall, Robert Kovacs, Mirela Alistar, Jack Lindsay, Pedro Lopes, Hsiang-Ting Chen, and Patrick Baudisch. 2016. “Metamaterial Mechanisms.” In Proceedings of the 29th Annual Symposium on User Interface Software and Technology, 529–39. UIST ’16. New York, NY, USA: Association for Computing Machinery.
[6]Ion, Alexandra, David Lindlbauer, Philipp Herholz, Marc Alexa, and Patrick Baudisch. 2019. “Understanding Metamaterial Mechanisms.” In Proceedings of the 2019 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems, 1–14. New York, NY, USA: Association for Computing Machinery.
[7]Iwafune, Miyu, Taisuke Ohshima, and Yoichi Ochiai. 2018. “Coded Skeleton: Shape Changing User Interface with Mechanical Metamaterial.” In SIGGRAPH Asia 2018 Technical Briefs, 1–4. SA ’18 11. New York, NY, USA: Association for Computing Machinery.
[8]Ion, Alexandra, Ludwig Wall, Robert Kovacs, and Patrick Baudisch. 2017. “Digital Mechanical Metamaterials.” In Proceedings of the 2017 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems, 977–88. CHI ’17. New York, NY, USA: Association for Computing Machinery.
[9]Gong, Jun, Olivia Seow, Cedric Honnet, Jack Forman, and Stefanie Mueller. 2021. “MetaSense: Integrating Sensing Capabilities into Mechanical Metamaterial.” In The 34th Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology, 1063–73. UIST ’21. New York, NY, USA: Association for Computing Machinery.
[10] Daunizeau, Thomas, David Gueorguiev, Sinan Haliyo, and Vincent Hayward. 2021. “Phononic Crystals Applied to Localised Surface Haptics.” IEEE Transactions on Haptics 14 (3): 668–74.
[11] Chang, Zekun, Tung D. Ta, Koya Narumi, Heeju Kim, Fuminori Okuya, Dongchi Li, Kunihiro Kato, et al. 2020. “Kirigami Haptic Swatches: Design Methods for Cut-and-Fold Haptic Feedback Mechanisms.” In Proceedings of the 2020 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems, 1–12. CHI ’20. New York, NY, USA: Association for Computing Machinery.