触覚のメカニズムとは?圧力や凹凸、温度を感じる仕組みを解説

「触覚」はその名のとおり、ものを「触った」際に生じる感覚です。

水を触ったときに冷たさを感じたり、針で刺されたときに痛みを感じたり、ボールの丸みを認識したりと、私たちは日々触覚を感じながら生活しています。触覚は五感(視覚、聴覚、嗅覚、味覚、触覚)のうち最も原始的な感覚で、生物の生存に不可欠ともいわれています。

最近では、触覚を人工的につくり出す「触覚フィードバック技術」や、触覚を数値化する「触覚センシング技術」の研究・実用化が進んでいます。これらの技術を理解するには、触覚のメカニズムを正しく知ることが重要です。

今回の記事では、触覚の概要や触覚が生み出される仕組みなどを、さまざまな研究例をまじえて解説します。

私たちは感覚神経を介して、皮膚への機械的刺激(圧力や振動)や温度刺激を感じとります。これが「触覚」です。

皮膚への刺激を最初に認識するのは、皮膚全体に分布している「触覚受容器」です。触覚受容器は機械的刺激や温度刺激を受け取ると、それらを化学信号に変換します。この化学信号が感覚神経を介して中枢神経系に伝わることで私たちは触覚を感じています。

触覚には、視覚や聴覚とは異なるおもしろい特徴があります。視覚や聴覚は光や音など外界の情報を検出しますが、触覚は皮膚の凹みや温度変化を認識しています。
つまり触覚は、外界の情報ではなく自分自身の状態を検出するものだといえるのです。

以下の各項目では、触覚の仕組みをよりくわしく説明します。

皮膚の構造と触覚受容器

上述のように、触覚は皮膚の変化を検出した結果生じる感覚です。そのため、触覚を理解するには皮膚の特性を知ることが重要です。

私たちの皮膚は、表皮、真皮、皮下組織の3層で構成されています。
皮膚には主に4種類の触覚受容器
1, メルケル細胞
2. ルフィニ小体
3. マイスナー小体
4. パチニ小体
が存在し、これらは存在する場所や形状、大きさ、受容できる刺激の種類(圧力、痛み、温度など)、刺激への応答性などが異なります。

4種類の触覚受容器は、皮膚への刺激に対する「①順応の速さ」と「②受容野の広さ」から以下のように分類されます。

    受容野の広さ
    狭い 広い

RA I
(マイスナー小体に終末)
RA II
(パチニ小体に終末)

SA I
(メルケル細胞 神経複合体)
SA II
(ルフィニ終末)

①順応の速さ
刺激を加えた瞬間にのみパルス信号を出力する受容器はRA(Rapid Adapting)型、刺激を加えた瞬間だけでなく刺激を加え続けている間もパルス信号を出力する受容器はSA(Slow Adapting)型に分類されます。

②受容野の広さ
受容野が狭いものをI型、受容野が広いものをII型と定義しています。

触覚の空間分解能

触覚の空間分解能としては、「2点弁別能」と「継時2点弁別能」がよく知られています。これらはいずれも、皮膚上の2点を刺激した際に刺激箇所が2点だと感じられる最小距離(皮膚の「解像度」ともいえる)ですが、両者は刺激の与え方が異なります。2点弁別能を測定する場合は2点を「同時に」刺激し、継時2点弁別能を測定する場合は「1点を刺激した後、時間間隔を空けてもう1点を」刺激します。指先の2点弁別能は2mm程度、継時2点弁別能は1.5mm程度です。

触覚の空間分解能は指先が最も大きく、手首に向かうにつれて低下するのが特徴です。たとえば、2点弁別能は指先で2mm程度ですが、手のひらでは10mm程度と5倍になります。

また、触覚は視覚よりも空間分解能が粗いことが知られています。上述のように指先の2点弁別能は約2mmですが、視覚の空間分解能は目から50cm離れた位置で約0.145mmです。

触覚の時間分解能

触覚の時間分解能は、継時的に2度の刺激を与えた場合に、刺激が2度であることを区別できる最小時間です。この最小時間は、刺激の強さに応じて10ms~50ms程度の間で変化するとの報告があります

触覚による凹凸検出

私たちは、触覚受容器を介して対象物表面の凹凸を検出できます。凹凸検出は形状知覚の基礎的なテーマであり、これまでにさまざまな研究が行われてきました。たとえばJohansson(※1)らは、ドットパターンからなる凹凸を使用して人間の凹凸検出能力を調査しており、ドットパターンの直径が40μmの場合は高さ5.97±2.02μmの凸、直径602μmの場合は高さ1.09 ±0.19μmの凸を検出できると報告しています。またJohnson(※2)らは、凹凸を含む格子を利用して指先の空間分解能を調査しています。

※1 参考文献:R.S.Johansson, R.H.LaMotte: “Tactile detection thresholds for a single asperity on an otherwise smooth surface”, Somatosens. Res., 1, pp.21-31, 1983.
※2 参考文献:K. O. Johnson, J. R. Phillips: “Tactile spatial resolution: I. Two-point discrimination, gap detection, grating resolution, and letter recognition”, Journal of Neurophysiology 46, pp.1177-1191, 1981.

触覚によるずれの検知

ずれの検知能力に関する研究も行われています。井野(※3)らは、指先は縦方向のずれに対する感度が最も高いことや、ずれの検知能力は指先の移動速度に応じて変化することなどを報告しています。

※3 参考文献:Y. Shimizu: “Temporal effect on tactile letter recognition by tracing mode”, Perceptual and Motor Skills, 55, pp.343-347, 1982.

圧力と摩擦力を測定できる、NISSHAのフィルムセンサー

NISSHAでは、圧力と摩擦力を検出できるフィルム状の触覚センサー(3軸力覚センサー)を開発しています。

NISSHAのセンサーはフィルム上にマトリックスとして形成されているため、表面に生じる圧力や摩擦力を多点同時に検出できます。フィルム基材を使用しており、ロボットハンドの指先や手のひらといった曲面部に貼り付けられる点も大きな特徴です。

本フィルムセンサーは大量生産に適したロールtoロール方式でつくられています。センサーのデザインやサイズをカスタマイズしたり、貼り付け位置に応じたセンサーパターンをご提案したりもできます。

ぜひ、お問い合わせフォームよりお気軽にご連絡ください。

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