人工的な動的触覚センシングには、感度、堅牢性、柔軟性が求められるが、既存技術では大面積アレイへの拡張時に配線の複雑さやコストが問題となり、トレードオフが生じていた。これに対し、arXivに発表された論文では、深サブ波長音響導波路を利用した受動分散型の触覚センシングパラダイムを提案している。この手法では、センシング性能を構造の柔軟性から切り離すことが可能となる。
具体的には、弾性膜で覆われたヘルムホルツ共振器を、バネで補強されたマイクロチューブで相互接続し、閉鎖的な音響ネットワークを構築する。この設計の利点は、構造全体が巨視的に曲げられても、音響伝送特性がほとんど変化しない点にある。そのため、柔軟な素材でありながら安定したセンシングが期待できる。
信号の読み出しには、ネットワーク内に疎に埋め込んだマイクを用いる。触覚イベントの位置と強度の情報は音波としてネットワーク内を伝播するため、少数のマイクで全体を監視できる。実験では、4つのマイクと64ノードのセンシングアレイにおいて、99%以上の位置特定精度と最高4mmの空間分解能を達成した。また、100Hz以下の低周波信号の波形をリアルタイムで再構成できることも示された。
データ処理面では、高速連続ウェーブレット変換と軽量なニューラルネットワークを組み合わせることで、推論時間を5.5ミリ秒に短縮している。この低遅延性は、人間と機械のインタラクションやロボット制御など、リアルタイム性が求められる応用に適している。
研究チームは実用性を検証するため、指先アレイ、触覚グローブ、大面積皮膚といった装着可能なプロトタイプを製作した。これらのデバイスは、単一の毛の接触から5ミリグラムの粒子衝突、動脈の脈波、羽毛の触れ、指の接触に至るまで、多様な刺激を検出できる。これは、提案手法が高い感度を持ちながら、さまざまなスケールの触覚センシングに適用可能であることを示している。
総じて、この研究は次世代ヒューマンマシンインタフェースに向けた、スケーラブルで柔軟かつ低コストな触覚センシングのソリューションを提供するものである。受動的な音響導波路と疎なマイク読み出しにより、電子皮膚、ウェアラブルデバイス、スマートロボティクスなどの分野への貢献が期待される。