JP2019025337A - ハプティックインプラント - Google Patents

Abstract

【課題】外部デバイスの内部におけるハプティック作動又はデバイスの装着に頼らない、ハプティックフィードバックを与える機構を提供すること。【解決手段】パッシブハプティックデバイスが、生体適合封入材料と、生体適合封入材料内に収容される、パッシブハプティックアクチュエーターとを備える。パッシブハプティックデバイスは、ユーザーの人体内に植え込むように構成される。ハプティックアクチュエーターは、外部作動構成要素からの作動信号に応答して、ユーザーにハプティックフィードバックを与える。パッシブハプティックデバイスは電源を備えない。【選択図】図１Ａ

Description

本開示は、被験者に移植するハプティックデバイスに関する。そのようなハプティックデバイスは、ユーザーにフィードバックを与えるための、アクティブ及びパッシブ両方のハプティックアクチュエーターを含む、種々のアクチュエーターを含むことができる。

ハプティックフィードバックを生成することは、通常、物体とユーザーとの間の直接的な相互作用を含む。代替的には、ユーザーの人体を、ハプティックアクチュエーターを用いて増強することができる。第１の解決策は、数多くのデバイスの場合に実用的であるが、特にユーザーの環境内の物体がインタラクティブ性を増すときに（「モノのインターネット」の概念）、ユーザーの環境内の全ての物体に適合するわけではない。第２の解決策は、任意の数の物体に適合するが、通常、ハプティックアクチュエーターを備えるデバイスを装着することをユーザーに要求し、このことは、面倒であるか又は不便であり得る。

外部デバイスの内部におけるハプティック作動、又はデバイスの装着に頼らない、ハプティックフィードバックを与える機構が必要とされている。

これらの要求に対処するために、本明細書において、植込型ハプティックデバイスが提供される。

実施形態において、生体適合封入材料と、封入材料内に収容されるパッシブハプティックアクチュエーターとを備える、パッシブハプティックデバイスが本明細書において提供される。実施形態において、パッシブハプティックデバイスは、ユーザーの人体内に植え込むように構成される。更なる実施形態において、ハプティックアクチュエーターは、作動構成要素からの作動信号に応答して、ユーザーにハプティックフィードバックを与え、また更なる実施形態において、パッシブハプティックデバイスは電源を備えない。代わりに、パッシブハプティックデバイスは、ユーザーの人体の外部にある電源から電力を受電する。

また、生体適合封入材料と、封入材料内に収容されるアクティブハプティックアクチュエーターと、アクティブハプティックアクチュエーターに電気的に結合され、ユーザーの人体内に植え込むように構成される、ハプティックアクチュエーターに電力を供給する電源とを備える、アクティブハプティックデバイスも本明細書において提供される。実施形態において、アクティブハプティックデバイスは、ユーザーの人体内に植え込むように構成され、アクティブハプティックアクチュエーターは、作動構成要素からの作動信号に応答して、ユーザーにハプティックフィードバックを与える。

更なる実施形態において、ユーザーにハプティックフィードバックを与える方法が提供される。その方法は、適切には、現象を検知することと、その現象がハプティックフィードバックをトリガーするのに十分に閾値を超えるか否かを判断することと、その現象に基づいて、アクティブハプティックアクチュエーター応答又はパッシブハプティックアクチュエーター応答を決定することと、アクティブハプティックアクチュエーター応答又はパッシブハプティックアクチュエーター応答を作動させることとを含む。

本発明の一実施形態によるパッシブハプティックデバイスを示す図である。 本発明の一実施形態による植込型パッシブハプティックデバイスのためのいくつかの取り得る場所を示す図である。 本発明の実施形態によるパッシブハプティックアクチュエーターを示す図である。 本発明の実施形態によるパッシブハプティックアクチュエーターを示す図である。 本発明の実施形態によるパッシブハプティックアクチュエーターを示す図である。 本発明の実施形態による更なるパッシブハプティックアクチュエーターを示す図である。 本発明の実施形態による更なるパッシブハプティックアクチュエーターを示す図である。 本発明の一実施形態によるパッシブハプティックデバイスの作動を示す図である。 本発明の一実施形態によるアクティブハプティックデバイスを示す図である。 本発明の一実施形態によるアクティブハプティックデバイスを示す図である。 本発明の実施形態による、ハプティックデバイスを介してハプティックフィードバックを与えるフローチャートである。 本発明の実施形態による、ハプティックデバイスを介してハプティックフィードバックを与えるフローチャートである。

本技術の前述の特徴及び態様並びに他の特徴及び態様は、添付図面に示される実施形態の以下の記載からより良く理解することができる。本明細書に組み込まれて本明細書の一部をなす添付図面は、本技術の原理を説明する役割を更に果たす。図面内の構成要素は、必ずしも縮尺どおりではない。

一部は図面を参照しながら、種々の実施形態を詳細に記載する。種々の実施形態の参照によって、本明細書に添付の特許請求の範囲の範囲が限定されることはない。さらに、本明細書に記載されているいかなる実施形態も、限定を意図しておらず、添付の特許請求の範囲に対する多くの可能な実施形態のうちの一部を説明するだけのものである。

適切な場合は常に、単数の物を指すように用いられる用語は、複数の物を含み、その逆もまた然りである。本明細書における数量を特定しない物を修飾する語の使用（The use of "a"）は、別様に述べられない限り、又は「１つ以上（one or more）」という語の使用が明らかに不適切な場合ではない限り、「１つ以上」を意味する。「又は」の使用は、別様に述べられない限り、「及び／又は」を意味する。「含む」、「備える」及び「有する」の使用は、交換可能であり、限定を意図していない。「等の（such as）」という語もまた、限定を意図していない。例えば、「を含む（including）」は、「を含むが、これに限定されない（including, but not limited to）」を意味するものとする。

例示的な実施形態において、パッシブハプティックデバイスが本明細書において提供される。本明細書において使用される場合、「パッシブハプティックデバイス」は、ユーザーにハプティックフィードバックを与えるデバイスを指しており、そのハプティックデバイスは電源を備えない。代わりに、パッシブハプティックデバイス内のパッシブハプティックアクチュエーターは、外部（ユーザーの人体の外部にある）作動構成要素と相互作用することによって機能し、ハプティックアクチュエーターの形態、位置、形状、場所又は向きを変更することによって外部作動に応答する。

本明細書において用いられる場合、「ハプティックフィードバック」又は「ハプティックフィードバック信号」は、本明細書に記載のハプティックデバイスから触覚（sense of touch）によってユーザーに伝えられる振動、手触り、及び／又は熱等の情報を指す。

図１Ａに示される例示的なパッシブハプティックデバイス１００は、例えば、生体適合封入材料１０２と、封入材料内に収容されるパッシブハプティックアクチュエーター１０４とを備える。本明細書において詳細に説明されるように、パッシブハプティックデバイス１００は、ユーザーの人体内に植え込むように、又は移植するように構成される。すなわち、パッシブハプティックデバイス１００は、筋組織、骨組織、皮下組織、軟骨、種々の器官等の中を含む、ユーザーの皮下に移植するか、挿入するか、又は埋め込むことによって、ユーザーの人体の中に容易に植え込むか、又は挿入することができる。パッシブハプティックデバイス１００の移植又は挿入は、針、カテーテル等の使用を介して行うことができるか、又は外科手術を介して実行することができる。

例えば、図１Ｂに示されるように、パッシブハプティックデバイス１００は、指１１０内、指先１１２内、又は掌１２０内を含む、ユーザーの手の皮下に植え込むことができる。パッシブハプティックデバイス１００は、ユーザーの任意のエリア又は体部分に、例えば、手、足、頭、顔、耳、脚、腕、胴、胸、背等に植え込むことができる。実施形態において、パッシブハプティックデバイス１００内のパッシブハプティックアクチュエーター１０４が、外部作動構成要素４０４（図４を参照）からの作動信号４０６に応答して、ユーザー４０２にハプティックフィードバックを与える。

図１Ａに示されるパッシブハプティックデバイス１００の形状及びサイズは例示にすぎず、任意の適切な形状、例えば、球形、長方形、正方形、楕円形、円筒形、カプセル形、卵形、非対称な形状、糸状の形状等を使用できることは理解されたい。さらに、図１Ａに示されるパッシブハプティックアクチュエーター１０４のサイズ及び形状は例示にすぎず、球形、長方形、正方形、楕円形、円筒形、カプセル形、卵形、不均一な形状、非対称な形状、糸状の形状等の任意の形状を使用できることは理解されたい。さらに、パッシブハプティックデバイス１００内に複数のパッシブハプティックアクチュエーター１０４を含めることができ、生体適合封入材料１０２内に、例えば、２個、３個、４個、５個、６個、７個、８個、９個、１０個、２０個、５０個、１００個、２００個、５００個等の複数個を封入することができる。

パッシブハプティックアクチュエーター１０４（及び本明細書において説明されるようなその表面特徴）のマクロスケールの形状を用いて、ユーザーにハプティックフィードバックを与えることができ、それにより、パッシブハプティックアクチュエーターが動く、並進する、回転する、振動する等のときに、ユーザーが、自分の皮膚の表面下にあるか、又は自分の体の筋肉、骨、神経、軟骨等に当たっているパッシブハプティックアクチュエーター１０４を感知する。例えば、球形又はボール形のパッシブハプティックアクチュエーター１０４を使用すれば、ボールを転がすか、又は並進させることによって、ユーザーの人体内で容易に、かつ迅速に位置決めし直すことができるようになる。例えば、電磁石を使用することによって、ユーザーの指１１０又は指先１１２の異なる部分を含む、ハプティックフィードバックが望まれるユーザーの人体の所望の部分に、パッシブハプティックアクチュエーター１０４を動かすことができる。

本明細書において説明されるように、例示的な実施形態において、パッシブハプティックアクチュエーター１０４は、磁性材料を含む。使用することができる例示的な磁性材料は、鉄、ニッケル、コバルト、希土類金属の合金、及び磁鉄鉱等の天然の鉱物を含む。更なる実施形態において、磁性材料は、磁性材料のマイクロ粒子又はナノ粒子を含む、磁性粒子を含むことができる。例えば、磁性材料は、磁性粒子を中に埋め込まれた高分子材料のマトリックスを含むことができる。高分子材料は、例えば、シリコーン、天然ゴム及び合成ゴム等の軟質高分子材料、又はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンナフタレン（ＰＥＮ）、シリコン系ポリマー、ポリウレタン、熱可塑性物質、熱可塑性エラストマー、熱硬化性ポリマー及び天然若しくは合成充填材で満たされたポリマー複合材料等の硬質材料を含む、本明細書において説明される材料から選択することができる。磁性粒子は、炭素鉄ナノ粒子又は希土類（例えば、ネオジム）ナノ粒子等の磁性粒子のナノ粒子とすることができる。

図２Ａ〜図２Ｃに示されるように、実施形態において、パッシブハプティックアクチュエーター１０４はプログラムされた表面を有することができる。本明細書において使用される場合、「プログラムされた表面」とは、本明細書において説明されるパッシブハプティックデバイス内にパッシブハプティックアクチュエーターを含める前に（すなわち、封入し、移植する前に）、ハプティックアクチュエーター１０４上に含まれるか、実現されるか、又は別の方法で形成される表面特性又は構造的特徴を指している。例えば、図２Ａに示されるように、パッシブハプティックアクチュエーター１０４は、粗い、又は肌理のある表面を与えるか、又は表面の摩擦係数の変化を与える表面特徴２０４を含むことができる。例えば、隆起した領域、凹凸のある領域、更なる構造、亀裂、切欠き、突起、隆起、穴等は全て、パッシブハプティックアクチュエーター１０４の外面上に表面特徴２０４を作り出すのに用いることができる。更なる実施形態において、図２Ｂに示されるように、プログラムされた表面は、パッシブハプティックアクチュエーターに波状の、又は湾曲した構造を与えることによって実現することができる。プログラムされた表面を有するパッシブハプティックアクチュエーター１０４を利用する実施形態において、（外部作動構成要素４０４による作動の結果としての）パッシブハプティックアクチュエーターの動き、回転、位置又は向きの変化の結果として、パッシブハプティックアクチュエーターがユーザーによって感知又は知覚され、それにより、ユーザーに（例えば、パッシブハプティックデバイスが位置するユーザーの指先内に）ハプティックフィードバックが与えられる。

更なる実施形態において、図２Ｃに示されるように、パッシブハプティックアクチュエーター１０４は、プログラムされた極性を含むことができる。すなわち、パッシブハプティックアクチュエーター１０４を準備するために磁性材料が利用される実施形態において、パッシブハプティックアクチュエーターの「プログラムされた極性」は、パッシブハプティックアクチュエーターの磁気的又は電気的極性を所望の向きに特に向けることによって、本明細書において説明されるハプティックデバイスに含める前に（すなわち、封入し、移植する前に）、パッシブハプティックアクチュエーター１０４に含めることができるか、実現することができるか、又は別の方法で与えることができる。例えば、実施形態において、例えば、外部磁場に応答して、パッシブハプティックアクチュエーターが、特定の方法において回転するか、スピン（急回転）するか、動くか、進行するか、又は特定の方向を向き、それがユーザーによって感知され、ユーザーにハプティックフィードバックを与えるように、パッシブハプティックアクチュエーターにおいてプログラムされた極性を実現することができる。また、プログラムされた極性は、特定の速度（例えば、１回転／秒〜１００回転／秒、又はそれより高く、例えば、１０００回転／秒、又はそれより更に高く、１０〜１００ｋＨｚの周波数）で急回転することによって作動信号への応答を与えることができるか、又は単に外部デバイスに引力又は斥力を与えることができ、それにより、ユーザーに、外部デバイスがパッシブハプティックデバイスと相互作用したことを示すハプティックフィードバックを与えることができる。例えば、外部電磁石を用いて、磁気的極性を変更することができ、それにより、引力／斥力を生成することができる。電磁石は、信号の極性が磁場の極性に比例する交流信号（電圧／電流）を電磁石に送出する増幅器を用いて制御することができる。

同様に、エレクトレットを用いて、外部静電場が存在するときに、斥力／引力を生成することができるような或る特定の方法において、パッシブハプティックアクチュエーター１０４の表面に極性を与えることができる。

更なる実施形態において、パッシブハプティックアクチュエーター１０４のプログラムされた表面は、作動信号に応答して、形態を変更することができる。例えば、電磁場に応答して、プログラムされた表面は、ハプティックフィードバックを生成するように表面特性を変換又は変更することができる。実施形態において、形態の変化は、例えば、パッシブハプティックアクチュエーターの一部の伸長若しくは突出によって、又は形状の反り若しくは曲げによって行うことができ、結果としてユーザーと接触し、それにより、ハプティックフィードバックを与えることができる。適切なサイズのパッシブハプティックアクチュエーター１０４（例えば、動くときに、生体適合封入材料１０２を通して感知され得るサイズ）、又は生体適合封入材料１０２と十分に接触している（例えば、生体適合封入材料を越えてハプティックフィードバックを変換するように生体適合封入材料内で十分に動く）アクチュエーターが用いられる。

実施形態において、パッシブハプティックアクチュエーター１０４は、スマート材料を含むことができる。スマート材料の例は、電気活性ポリマーを含む種々のポリマー、形状記憶合金、形状記憶ポリマー（ＳＭＰ）、及び圧電繊維複合材料（ＭＦＣ）を含む。図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、図３Ａに示される形態において、本明細書において説明されるパッシブハプティックデバイス内にスマート材料ハプティックアクチュエーター３０２Ａを含めることができる。作動信号（図４を参照）に応答して、ハプティックアクチュエーターを構成するスマート材料が変形し、例えば、波形状、肌理のある形状、伸長した形状、圧縮された形状、反った形状、曲がった形状、又は別の方法で変更された形状を有する、変形したスマート材料ハプティックアクチュエーター３０２Ｂになる。結果としてハプティックフィードバックがユーザーによって感知されるのは、スマート材料ハプティックアクチュエーター３０２Ａから、変形したスマート材料ハプティックアクチュエーター３０２Ｂへのこの変形である。

実施形態において、本明細書において説明されるように、作動信号４０６は、電磁場又は熱エネルギーを含むことができる。他の実施形態において、作動信号４０６は、電場、赤外線放射、紫外線又は可視光、超音波等を含むことができる。作動信号が電磁場を含む実施形態において、適切には、パッシブハプティックアクチュエーター１０４は、本明細書において説明されるように、パッシブハプティックアクチュエーターが相互作用し、ハプティックフィードバックを与えるように変形するか、動くか、又は別の方法で作動信号に応答するような磁性材料を含む。熱エネルギーが使用される実施形態において、外部作動構成要素４０４は、適切には、レーザー、無線周波数、超音波、光、導電性又は誘導性加熱素子等を含む、熱エネルギーを与える何らかのタイプの熱エネルギー源を含む。そのような実施形態において、パッシブハプティックアクチュエーター１０４は、ユーザーにハプティックフィードバックを与えるように、例えば、形態又は形状を変更する、変形する等によって熱エネルギーに応答することができる。

例示的な実施形態において、外部作動構成要素４０４は、一定の、又は変動する磁場を出力するように駆動することができる電磁石を備えることができる。そのような作動構成要素は、パッシブハプティックアクチュエーター１０４上に引力及び／又は斥力を誘発することができる。他の例示的な外部作動構成要素４０４は、空気コイル（又は空芯コイル）、誘導コイル、抵抗器等の熱エネルギー源、静電発生器、超音波発生器、レーザー光源を含む紫外光源又は可視光源等を含む。

更なる実施形態において、パッシブハプティックアクチュエーター１０４は、体温において液体であるが室温において固体である金属であるガリウム等の材料を含むことができる。外部冷却（例えば、熱シンク又は他の冷却デバイスによる）に応答して、パッシブハプティックアクチュエーター１０４の温度を下げることができ、それによりパッシブハプティックアクチュエーターが凝固し、それにより、ユーザーにハプティックフィードバックを与えることができ、ユーザーは、パッシブハプティックデバイス内の材料の状態の（例えば、液体から固体への）変化に気が付くか、若しくは状態の変化を感知するか、又は状態の変化は温度の変化として知覚することができる。

図１Ａに示されるように、更なる実施形態において、パッシブハプティックデバイス１００は、生体適合封入材料１０２内に収容される、無線周波数識別（ＲＦＩＤ）タグ１４０を更に備えることができる。ＲＦＩＤタグは当該技術分野においてよく知られており、通常、電気的に記憶される情報を含み、呼掛け電波を放射する、ユーザーの外部にあるＲＦＩＤリーダーから電力を供給することができる。別の言い方をすると、一般に、ＲＦＩＤリーダーはタグに応答させるために、符号化された無線信号を送信し、ＲＦＩＤタグは信号を受信し、その後、その不揮発性メモリ内に記憶される場合がある識別情報及び他の情報を用いて応答する。実施形態において、呼掛け電波に応答して、ＲＦＩＤタグは、ＲＦＩＤタグの場所、向き、状態等の情報を与える。ＲＦＩＤタグは、適切には、少なくとも２つの部分、すなわち、情報を記憶及び処理し、無線周波数（ＲＦ）信号を変調及び復調し、入射するリーダー信号からＤＣ電力を収集し、他の特殊機能を実行する集積回路と、信号を受信及び送信するアンテナとを含む。ＲＦＩＤタグは、それぞれ送信データ及びセンサーデータ（本明細書において説明されるセンサーとしてインプラントを使用する）を処理する固定又はプログラマブルロジックのいずれかを更に含むことができる。また、ＲＦＩＤタグは、生体適合封入材料内に封入されるハプティックデバイス（複数の場合もある）についての情報も含むことができる。例えば、ＲＦＩＤタグは、作動させるために必要とされる周波数又は波形（例えば、パルス、方形波、正弦波等）だけでなく、生体適合封入材料内のハプティックアクチュエーター（複数の場合もある）のタイプ（複数の場合もある）（圧電、スマート材料等）、及び／又は必要とされる場合がある作動信号のタイプ（例えば、磁場、熱等）を識別することができる。また、ＲＦＩＤタグは、支払又はクレジットカード情報、健康情報、個人識別情報等を含む、非ハプティックフィードバック機能のために利用することもできる。

適切な生体適合封入材料１０２の例は、限定はしないが、種々のシリコーン、ポリ（エチレン）、ポリ（プロピレン）、ポリ（テトラフルオロエチレン）、ポリ（メタクリレート）等を含む、種々のガラス、金属、ポリマー等を含む。例示的な金属は、チタン、鉄、コバルト、クロム、タンタル等を含む。そのような材料は、球、カプセル、又は本明細書において説明されるハプティックアクチュエーターを収容するのに有用な他の構造の形に容易に形作ることができるか、又は加工することができる。実施形態において、パッシブハプティックデバイス１００は、人工装具のボディパーツの形をとる。例えば、パッシブハプティックデバイス１００は、義歯、付け爪、骨代用品又は骨インプラント等の形をとるように準備し、形作ることができる。

更なる実施形態において、アクティブハプティックデバイスが本明細書において提供される。本明細書において使用される場合、「アクティブハプティックデバイス」は、ユーザーにハプティックフィードバックを与えるデバイスを指しており、そのハプティックデバイスは、ハプティックアクチュエーターに電気的に結合される電源を含み、ユーザーの人体内に植え込むように構成され、それゆえ、ユーザーの中からハプティックアクチュエーターに電力を与える。アクティブハプティックデバイスは、本明細書において説明されるように、交換可能又は再充電可能電力供給源を含むことができる。

実施形態において、例えば、図５Ａに示されるように、アクティブハプティックデバイス５００は、生体適合封入材料１０２と、封入材料内に収容されるアクティブハプティックアクチュエーター５０４とを含む。アクティブハプティックデバイス５００は、アクティブハプティックアクチュエーターに電気的に結合され、アクティブハプティックアクチュエーター５０４に電力を供給するように構成される電源５０６を更に含む。本明細書において使用される場合、「電気的に結合される」は、電力を供給する有線接続及びワイヤレス接続を含む。図４に示されるように、アクティブハプティックデバイス５００は、本明細書において説明されるように、ユーザーの人体内、例えば、ユーザーの指若しくは手、又はユーザーの他の体部分若しくはエリア内に植え込むように構成される。電源５０６は、生体適合材料１０２内に適切に収容され、それゆえ、移植するように構成されるが、他の実施形態では、電源５０６は、別の生体適合構造又はカプセル内に設けることができるか、又は別の方法で、ユーザーの人体内に植え込むように構成することができる。

図５Ｂに示されるように、外部作動構成要素４０４からの作動信号４０６に応答して、アクティブハプティックデバイス５００は、例えば、その形状を変更すること等によって、ユーザーにハプティックフィードバックを与える。図５Ａ及び図５Ｂに示されるように、実施形態において、電源５０６は、電源５０６を再充電する（すなわち、電源５０６が再充電可能電源であるときに）再充電信号５１０を受信するアンテナ５０８を備えることができる。この再充電は、誘導性電源を通して、皮膚を超えて外部充電器と相互作用することによって行うことができる。誘導性電源は、充電ベース内から交流電磁場を生成する誘導コイルと、電磁場から電力を取り出し、その電力を変換して、誘導性電源、例えば、電池を充電する電流に戻す、アクティブハプティックデバイス内の第２の誘導コイルとを含むことができる。更なる実施形態において、電源内蔵システムを設けるために、電源５０６は、人体の運動（圧電）又は熱（熱発電）又はイオン特性（塩濃度又はｐＨ）を使用する機構を含む、動的又は自己充電式電源とすることができる。また、電源５０６は、例えば、交換可能電池とすることもできる。

例示的なアクティブハプティックアクチュエーター５０４は、例えば、偏心回転質量（ＥＲＭ：eccentric rotating mass）アクチュエーター、線形共振アクチュエーター（ＬＲＡ）、材料ベースの高耐久性アクチュエーター（materials-based heavy duty actuator）、圧電アクチュエーター、ボイスコイルアクチュエーター、電気活性ポリマー（ＥＡＰ）アクチュエーター、形状記憶合金、ページャー、ＤＣモーター、ＡＣモーター、可動磁石アクチュエーター、スマートジェル、静電アクチュエーター、電気触覚アクチュエーター、変形可能面、静電力（ＥＳＦ）デバイス、超音波摩擦（ＵＳＦ）デバイス、又は任意の他のハプティック出力デバイス又はハプティックアクチュエーターの機能を実行するか、若しくはハプティックフィードバックを出力することができる構成要素の集合体を含むことができる。或る範囲の振動周波数を与えるために、複数のハプティック出力デバイス、又は異なるサイズのハプティック出力デバイスが使用される場合があり、個別に、又は同時に作動する場合がある。種々の例が、同じタイプのハプティック出力デバイスを有するか、又は異なるタイプのハプティック出力デバイスの組み合わせを有する複数のハプティック出力デバイスを含むことができる。

更なるハプティックアクチュエーターは、例えば、「電気活性材料」に基づくアクチュエーターを含み、電気活性材料は、電場（直流又は交流のいずれか）によって刺激されるときに形状又はサイズの変化を示す材料を指している。例示的な電気活性材料は、本明細書において説明されるように、電気活性ポリマー及び圧電材料を含む。例示的な電気活性ポリマーは、限定はしないが、ポリ（フッ化ビニリデン）、ポリ（ピロール）、ポリ（チオフェン）、ポリ（アニリン（正：aniline））、及びその混合物、コポリマー及び誘導体等のポリマーを含む。電気活性ポリマーの例示的な種類は、誘電体ポリマー及びイオン性ポリマーを含む。誘電体ポリマーは、ポリマーを圧迫する２つの電極間の静電力に応答して形状を変更する。誘電体ポリマーは非常に大きく歪むことができ、基本的には、電圧が印加されるときに、電場に起因してポリマーが厚さ方向において圧縮し、面積を拡張できるようにすることによってそのキャパシタンスを変更するキャパシターである。イオン性ポリマーは、ポリマー内部のイオンの移動によって引き起こされる形状又はサイズの変化を受ける。一般には、作動させるためにわずかな量の電位（数ボルト程度）しか必要とされないが、多くの場合に、作動させるために更に高い電力が必要とされ、アクチュエーターを所定の位置に保持するのにエネルギーが必要とされる場合がある。さらに、いくつかのポリマーは、イオン流を保持するために水性の環境の存在を必要とする。例示的な圧電材料は、限定はしないが、チタン酸バリウム、ヒドロキシアパタイト、アパタイト、硫酸リチウム一水和物、ニオブ酸ナトリウムカリウム、石英、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、酒石酸及び二フッ化ポリビニリデン繊維を含む。また、本明細書において説明される実施形態において、当該技術分野において既知である他の圧電材料を使用することもできる。

生体適合封入材料は、本明細書において説明されるように、複数の異なるハプティックアクチュエーター、すなわち、２個、３個、４個、５個、６個、７個、８個、９個、１０個、１５個、２０個、２５個、３０個、４０個、５０個等のハプティックアクチュエーターを含むことができる。ハプティックアクチュエーターは、アクティブ又はパッシブとすることができ、異なる性質のものとすることができ、すなわち、スマート材料、圧電性物質及び機械的アクチュエーターの組み合わせとすることができる。アクチュエーターの組み合わせを一緒に、又は別々に利用して、ハプティックフィードバックを与えることができる。

アクティブハプティックアクチュエーター５０４は、振動、変形、電気刺激、静電摩擦又はフィードバック、加熱等を含む、種々の形のハプティックフィードバックを与えることができる。

実施形態において、本明細書において説明されるように、アクティブハプティックアクチュエーター５０４は、ワイヤレス通信デバイス５１２、例えば、アンテナを更に備えることができる。ワイヤレス通信デバイス５１２を用いて、外部作動構成要素４０４から作動信号４０６を受信し、それにより、アクティブハプティックアクチュエーター５０４を作動させることによって、ユーザーにハプティックフィードバックを与える。適切には、ハプティックアクチュエーター５０４への電力を接続若しくは切断するために、又はハプティックアクチュエーター５０４がアクティブにされるときに別の態様で制御するために、スイッチ５２０を備えることもできる。

また、アクティブハプティックデバイス５００は、本明細書において説明されるように、ＲＦＩＤタグ１４０を更に備えることができる。実施形態において、本明細書において説明されるように、アクティブハプティックデバイス５００は、人工装具のボディパーツの形をとることができる。また、アクティブハプティックデバイスを駆動するとともに、電源を充電するために必要な更なる電子回路も生体適合封入材料１０２内に含まれることになる。一般に、そのような更なる電子回路は、デバイス内に封入されることになるが、生体適合封入材料１０２の外部に沿って配置することもできるか、又は生体適合封入材料１０２の一部として配置することもできるか、又は生体適合封入材料１０２の表面に組み込むこともできる。

電源５０６によって与えられる電力量は、適切には約０．１ワット（Ｗ）〜約１０Ｗ程度であり、より適切には、約０．５Ｗ〜約５Ｗ、又は約１Ｗ〜約５Ｗ、又は約０．５Ｗ、約１Ｗ、約２Ｗ、約３Ｗ、約４Ｗ又は約５Ｗである。例示的な電源５０６は、誘導性電源、並びに種々の電池パック及び太陽光エネルギー源を含む。また、電源５０６は、再充電可能システム、例えば、圧電材料の使用を通して再充電することができるシステムを含むことができる。

ユーザー内の本明細書において説明されるアクティブハプティックデバイス及びパッシブハプティックデバイス（本明細書においてまとめて「ハプティックデバイス」と呼ばれる）の場所、向き及び配置は、ユーザー内にハプティックデバイスを植え込むか、又は挿入する方法及び場所を検討する際に重要な要因である。一般に、本明細書において説明されるハプティックデバイスは、ユーザーに触感を与えるために、ユーザーの皮下に、一般には皮膚表面下の数ミリメートルから数センチメートル内に配置される。例えば、ユーザーの指が、例えば、タッチパッド、数字キーパッド、支払端末、又は他の指接触インターフェースを介して外部デバイスと相互作用することになる主要な部分になる相互作用の場合に、ハプティックデバイスをユーザーの指先の表面に、又は指先の表面付近に配置することが適切である。他の実施形態において、ハプティックデバイスは、組織若しくは器官内にはるかに深く植え込むことができるか、又はユーザーの人体のより広い部分にハプティックフィードバック若しくは感覚を与えるために筋紡錘若しくは骨付近に配置することができる。また、ハプティックデバイスは、電流による直接の刺激を与えるために、ユーザーの神経付近に配置することもできる。

表面又は表面付近における実施態様の場合、デバイス内のＲＦＩＤタグを使用することにより、外部デバイスによって容易に識別できるようになり、ハプティックデバイスが外部デバイス又はインターフェースと容易に相互作用できるようになる。外部デバイスの例は、例えば、タッチスクリーン、タッチパッド、携帯電話、タブレット、ゲーミングコンソール、現金自動預払機、支払端末、店頭デバイス、売店、又は種々の店舗におけるキーパッド等、自動車コンソール、コンピューター、ラップトップ等を含む。更なる実施形態において、外部デバイスは、外部作動信号４０６を開始するために物理的な相互作用、又は概ね物理的な（ほぼ接触している）相互作用を必要としないデバイス、例えば、ユーザーから或る距離に位置する、腕時計、コンピューター、ゲームコンソール、自動車等とすることができる。

実施形態において、異なる環境において同じアクティブハプティックデバイス又はパッシブハプティックデバイスを使用することができるか、又は異なる環境／デバイスと相互作用するために、別々のアクティブハプティックデバイス及びパッシブハプティックデバイスを使用することができる。例えば、本明細書において説明されるハプティックアクチュエーターは、ユーザーの指に植え込むことができ、ハンドル上の警告センサー等を含む、自動車の種々の構成要素と相互作用できるようになる。同じ（又は所望により別の）ハプティックアクチュエーターが、売店又は現金自動預払機、並びにゲーミング又は仮想現実システムを含む、本明細書において説明されるような他のデバイスと相互作用することもできる。したがって、ハプティックアクチュエーターは、種々の異なるデバイスと、異なるシナリオのもとで、一般的な方法において相互作用するように作製することができる。

外部デバイスが提供することができる例示的なフィードバック又は信号として、例えば、着信メッセージ又は第三者からの通信、警告信号、ゲーミングインタラクション、ドライバー意識向上信号、コンピュータープロンプト等のインジケーションが挙げられる。

更なる実施形態では、本明細書に記載のハプティックデバイスは、仮想現実システム又は拡張現実システムと統合することもできるし、又はこれらの一部とすることもできる。そのような実施形態において、ハプティックデバイスは、ユーザーが仮想現実システム又は拡張現実システムと相互作用する際に、ハプティックフィードバックをユーザーに与えることができ、仮想現実又は拡張現実構成要素及びデバイスによって開始された応答又はフィードバックを提供することができる。

実施形態において、ユーザーに複数のハプティックデバイスを植え込むか、又は挿入することができる。或る特定の実施形態において、例えば、ユーザーの各指が、挿入された本明細書において説明されるようなハプティックデバイス（パッシブ若しくはアクティブのいずれか、又はそれぞれのいくつか）を有することができる。他の実施形態では、ユーザーの同じエリア又は体部分に複数のハプティックデバイスを植え込むか、又は挿入することができる。例えば、同じ指先に複数のハプティックデバイスを植え込むか、又は挿入することができ、合わせて、又は順次に作動するときに、流れるような、又は動きのある感覚を生み出すことができる。

また、ハプティック信号を受信することと、アクティブハプティックアクチュエーター応答又はパッシブハプティックアクチュエーター応答を作動させることとを含む、ユーザーにハプティックフィードバックを与える方法も本明細書において提供される。ハプティック信号の例が、外部モバイルフォン、タブレット、コンピューター、自動車等の種々の信号源から生じることができ、本明細書において説明されるように、着信メッセージ、電話の呼出、警報等を知らせることができる。例示的なアクティブハプティックアクチュエーター応答は、振動、変形、電気刺激、静電摩擦又はフィードバック、又は加熱を含む。例示的なパッシブハプティックアクチュエーター応答は、回転、形状の変化、又は移動を含む。

また、信号を受信することと、信号に基づいて、アクティブハプティックアクチュエーター応答又はパッシブハプティックアクチュエーター応答を決定することと、アクティブハプティックアクチュエーター応答又はパッシブハプティックアクチュエーター応答を作動させることとを含む、ユーザーにハプティックフィードバックを与える方法も本明細書において提供される。信号の例が、外部モバイルフォン、タブレット、コンピューター、自動車等の種々の信号源から生じることができ、本明細書において説明されるように、着信メッセージ、電話の呼出、警報等を知らせることができる。さらに、ユーザーが信号を生成することもでき、その信号は、植え込まれたセンサー及びアクチュエーターを含む、人体の部分に手で触れること、又はその人体の部分をこすることを含む。

図６Ａ及び図６Ｂは、アクティブハプティックデバイスのハプティックフィードバックプロセスのフローチャート６００を示し、フローチャート６５０は、本明細書において説明されるようなパッシブハプティックデバイスの更なるハプティックフィードバックプロセスを示す。ブロック６０２において、ハプティックデバイスのタイプごとに、センサー（ハプティックデバイスの内部にあるセンサー、及び例えば、外部作動構成要素４０４を含む、外部デバイスに関連付けられるセンサーの両方を含む）を用いて、現象を検知する。実施形態において、センサーは、外部デバイスと相互作用するハプティックデバイスの構成要素等の植え込まれたセンサーである。現象の例は、例えば、ユーザーが触れること又は近くまで接近すること、更なるデバイスからの外部信号、音声コマンド、コンピューター信号等を含む。ブロック６０４において、検知された現象が、ユーザーへのハプティックフィードバックをトリガーするのに十分に閾値を超えるか否かが判断される。例えば、タッチパッド又はタッチデバイスに触れているユーザーの指がハプティックフィードバックをトリガーするのに十分であるか否かが判断される。その後、本明細書において説明されるアクティブハプティックアクチュエーターの場合、ブロック６０６において、検知された現象に基づいて、応答が決定される。例えば、アクティブハプティックアクチュエーターがユーザーに振動応答を与えることを決定することができる。同様に、パッシブハプティックアクチュエーターの場合、ブロック６０８において、検知された現象に基づいて、応答が決定される。例えば、パッシブハプティックアクチュエーターが回転することを決定することができる。これらの決定に応答して、ブロック６１０又は６１２において、アクティブハプティックアクチュエーター又はパッシブハプティックアクチュエーターが作動し、それにより、ユーザーにハプティックフィードバックを与える。

上記で記載された種々の実施形態は、例示によってのみ提供されており、添付の特許請求の範囲を制限するものと解釈するべきではない。当業者であれば、本明細書において図示及び記載された例示の実施形態及び応用形態に従うことなく、また、添付の特許請求の真の趣旨及び範囲から逸脱することなく行うことができる種々の改変及び変更を容易に認識するであろう。

本出願は、２０１７年８月２日に出願された、米国特許出願第１５／６６６，６９１号の利益を主張し、その開示は引用することによりその全体が本明細書の一部をなす。

Claims (20)

1. パッシブハプティックデバイスであって、
   生体適合封入材料と、
   前記生体適合封入材料内に収容されるパッシブハプティックアクチュエーターと、
   を備え、
   該パッシブハプティックデバイスは、ユーザーの人体内に植え込むように構成され、前記ハプティックアクチュエーターは、外部作動構成要素からの作動信号に応答して、前記ユーザーにハプティックフィードバックを与え、該パッシブハプティックデバイスは電源を含まない、パッシブハプティックデバイス。
2. 前記パッシブハプティックアクチュエーターは磁性材料を含む、請求項１に記載のパッシブハプティックデバイス。
3. 前記パッシブハプティックアクチュエーターは、プログラムされた表面又はプログラムされた極性を有する、請求項２に記載のパッシブハプティックデバイス。
4. 前記パッシブハプティックアクチュエーターはスマート材料を含む、請求項１に記載のパッシブハプティックデバイス。
5. 前記生体適合封入材料内に収容される無線周波数識別（ＲＦＩＤ）タグを更に備える、請求項１に記載のパッシブハプティックデバイス。
6. 前記作動信号は、電磁場又は熱エネルギーを含む、請求項１に記載のパッシブハプティックデバイス。
7. 前記パッシブハプティックデバイスは、人工装具のボディパーツの形をとる、請求項１に記載のパッシブハプティックデバイス。
8. アクティブハプティックデバイスであって、
   生体適合封入材料と、
   前記生体適合封入材料内に収容されるアクティブハプティックアクチュエーターと、
   前記アクティブハプティックアクチュエーターに電気的に結合される、前記ハプティックアクチュエーターに電力を供給する電源と、
   を備え、
   該アクティブハプティックデバイス及び前記電源は、ユーザーの人体内に植え込むように構成され、
   前記アクティブハプティックアクチュエーターは、作動構成要素からの作動信号に応答して、前記ユーザーにハプティックフィードバックを与える、アクティブハプティックデバイス。
9. 前記アクティブハプティックアクチュエーターは、偏心回転質量アクチュエーター、線形共振アクチュエーター（ＬＲＡ）、材料ベースの高耐久性アクチュエーター、又は圧電アクチュエーターを含む、請求項１１に記載のアクティブハプティックデバイス。
10. 前記電源は前記生体適合封入材料内に収容される、請求項１１に記載のアクティブハプティックデバイス。
11. ワイヤレス通信デバイスを更に備える、請求項１１に記載のアクティブハプティックデバイス。
12. ＲＦＩＤタグを更に備える、請求項１１に記載のアクティブハプティックデバイス。
13. 前記アクティブハプティックデバイスは、人工装具のボディパーツの形をとる、請求項１１に記載のアクティブハプティックデバイス。
14. ハプティックフィードバックを与える方法であって、
    ａ．ハプティック信号を受信することと、
    ｂ．前記ハプティック信号に基づいて、アクティブハプティックアクチュエーター応答又はパッシブハプティックアクチュエーター応答を決定することと、
    ｃ．前記アクティブハプティックアクチュエーター応答又は前記パッシブハプティックアクチュエーター応答を作動させることと、
    を含む、方法。
15. 前記アクティブハプティックアクチュエーター応答は振動、変形、電気刺激、静電摩擦又はフィードバック、又は加熱である、請求項１４に記載の方法。
16. 前記パッシブハプティックアクチュエーター応答は、回転、形状の変化又は移動である、請求項１４に記載の方法。
17. ユーザーにハプティックフィードバックを与える方法であって、
    ａ．現象を検知することと、
    ｂ．前記現象がハプティックフィードバックをトリガーするのに十分に閾値を超えるか否かを判断することと、
    ｃ．前記現象に基づいて、アクティブハプティックアクチュエーター応答又はパッシブハプティックアクチュエーター応答を決定することと、
    ｄ．前記アクティブハプティックアクチュエーター応答又は前記パッシブハプティックアクチュエーター応答を作動させることと、
    を含む、方法。
18. 前記アクティブハプティックアクチュエーター応答は振動、変形、電気刺激、静電摩擦又はフィードバック、又は加熱である、請求項１７に記載の方法。
19. 前記パッシブハプティックアクチュエーター応答は、回転、形状の変化又は移動である、請求項１７に記載の方法。
20. 前記検知することは、植え込まれたセンサーにおいて行われる、請求項１７に記載の方法。

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