JP7093080B2 - Tactile sensor - Google Patents
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Description
本発明は、物体から受ける触感を検出する触感センサに関する。 The present invention relates to a tactile sensor that detects a tactile sensation received from an object.
特許文献1には、力検出センサと加速度センサとを備えるウェアラブルな触感センサが開示されている。特許文献1の触感センサは、操作者の手に装着可能な触覚検出グローブを備えている。触覚検出グローブの各指先に当たる部分には、物体操作時の操作者の手の接触力に係る触覚検出信号を出力する力検出センサと、操作者の手の動きの加速度に係る触覚検出信号を出力する加速度センサとが設けられている。特許文献1の触感センサは、力検出センサ及び加速度センサから出力される触覚検出信号に基づいて、50~500Hzの周波数の振動パターンデータを作成し、その振動パターンデータから触覚情報を作成する。 Patent Document 1 discloses a wearable tactile sensor including a force detection sensor and an acceleration sensor. The tactile sensor of Patent Document 1 includes a tactile detection glove that can be worn on the operator's hand. A force detection sensor that outputs a tactile detection signal related to the contact force of the operator's hand during object operation and a tactile detection signal related to the acceleration of the operator's hand movement are output to the part of the tactile detection glove that hits each fingertip. An acceleration sensor is provided. The tactile sensor of Patent Document 1 creates vibration pattern data having a frequency of 50 to 500 Hz based on the tactile detection signals output from the force detection sensor and the acceleration sensor, and creates tactile information from the vibration pattern data.
ところで、特許文献1の触感センサは、低周波領域の振動(例えば、10Hz以下の振動)を検出することが難しく、低周波領域の振動を生じさせる触感の検出に難点があった。低周波領域の振動を生じさせる触感としては、例えば、人体等の柔らかい物体に触れた場合の触感が挙げられる。 By the way, the tactile sensor of Patent Document 1 has difficulty in detecting vibration in a low frequency region (for example, vibration of 10 Hz or less), and has a difficulty in detecting a tactile sensation that causes vibration in a low frequency region. Examples of the tactile sensation that causes vibration in the low frequency region include the tactile sensation when touching a soft object such as a human body.
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、柔らかい物体に触れた場合の触感等の低周波領域の振動を生じさせる触感を検出できる触感センサを提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a tactile sensor capable of detecting a tactile sensation that causes vibration in a low frequency region such as a tactile sensation when touching a soft object.
上記課題を解決する触感センサは、物体から受ける触感を検出する触感センサであって、前記物体に接触させることにより、前記物体の表面との間に閉空間を形成する接触部と、前記閉空間内の空気振動を検出する振動センサとを備え、前記接触部は、先端が開口するとともに基端側から先端側に向かって内径が拡径する筒状の基部と、前記基部の先端に接続されて、前記基部よりも柔らかい先端部とを備え、前記振動センサは、少なくとも1~10Hzの低周波領域の振動を検出可能であるとともに、前記基部の基端に配置されている。 The tactile sensor that solves the above-mentioned problems is a tactile sensor that detects the tactile sensation received from an object, and has a contact portion that forms a closed space with the surface of the object by contacting the object, and the closed space. A vibration sensor for detecting the air vibration inside is provided, and the contact portion is connected to a tubular base portion whose inner diameter increases from the base end side to the tip end side as the tip opens and to the tip end of the base portion. The vibration sensor is provided with a tip portion softer than the base portion, and the vibration sensor can detect vibration in a low frequency region of at least 1 to 10 Hz and is arranged at the base end of the base portion.
上記構成によれば、柔らかい物体に接触部が触れたときに、柔らかい先端部が潰れるように変形して閉空間の形状が変化し、閉空間内に物体の柔らかさに応じた空気の振動が生じる。また、柔らかい物体との間に閉空間を形成した状態において、物体の表面が変位したとき(例えば、生物の脈動)、閉空間の形状が変化し、閉空間内に物体の表面の変位に応じた空気の振動が生じる。これらの閉空間の形状の変化に基づく空気の振動を触感情報として振動センサにより検出する。 According to the above configuration, when the contact portion touches a soft object, the soft tip portion is deformed so as to be crushed and the shape of the closed space is changed, and the vibration of air according to the softness of the object is generated in the closed space. Occurs. In addition, when the surface of an object is displaced (for example, the pulsation of a living organism) in a state where a closed space is formed between the object and a soft object, the shape of the closed space changes according to the displacement of the surface of the object in the closed space. Vibration of the air is generated. The vibration of the air based on the change in the shape of these closed spaces is detected by the vibration sensor as tactile information.
特に、接触部の基部は、先端が開口するとともに基端側から先端側に向かって内径が拡径する筒状に形成されている。そのため、閉空間の形状が変化したとき、閉空間内の空気は、基部における大径の先端側から小径の基端側へと大きく動き、基部の基端に設けられた振動センサを大きく動かす。これにより、閉空間内に生じる空気の振動を感度良く検出することができる。 In particular, the base of the contact portion is formed in a cylindrical shape in which the inner diameter increases from the base end side to the tip end side as well as the tip opening. Therefore, when the shape of the closed space changes, the air in the closed space moves greatly from the tip side of the large diameter at the base to the base end side of the small diameter, and greatly moves the vibration sensor provided at the base end of the base. As a result, the vibration of the air generated in the closed space can be detected with high sensitivity.
上記触感センサにおいて、前記振動センサは、コンデンサマイクであることが好ましい。
上記構成によれば、低周波領域から高周波領域までの広範囲の振動を検出できるため、様々な触感の検出に適したものになる。
In the tactile sensor, the vibration sensor is preferably a condenser microphone.
According to the above configuration, it is possible to detect a wide range of vibrations from a low frequency region to a high frequency region, so that it is suitable for detecting various tactile sensations.
上記触感センサにおいて、前記先端部は、ショアA硬度が40以下であることが好ましい。
上記構成によれば、物体に対して接触部を押し付けた際に、物体の柔らかさに依存した振動パターンの振動を生じさせることが容易である。また、閉空間を形成した状態で物体の表面が変位した際に、閉空間の密閉状態を維持させることが容易である。
In the tactile sensor, the shore A hardness of the tip portion is preferably 40 or less.
According to the above configuration, when the contact portion is pressed against the object, it is easy to generate vibration of a vibration pattern depending on the softness of the object. Further, when the surface of the object is displaced while the closed space is formed, it is easy to maintain the closed state of the closed space.
上記触感センサにおいて、前記接触部を支持する装着部を備え、前記装着部は、断面環状であり、伸縮可能なエラストマー材料又はストレッチ生地により構成されていることが好ましい。 It is preferable that the tactile sensor includes a mounting portion that supports the contact portion, and the mounting portion has an annular cross section and is made of a stretchable elastomer material or a stretch fabric.
上記構成によれば、操作者の指等に触感センサを簡単かつ確実に装着できるため、上記構成の触感センサは、ウェアラブルな装置として適している。
上記触感センサにおいて、前記接触部の周囲に配置されて、前記装着部と前記接触部の間の凹凸を埋める外装部を備え、前記外装部は、前記基部よりも柔らかく、前記先端部よりも硬いことが好ましい。
According to the above configuration, the tactile sensor can be easily and surely attached to the finger or the like of the operator, so that the tactile sensor having the above configuration is suitable as a wearable device.
The tactile sensor is provided with an exterior portion that is arranged around the contact portion to fill the unevenness between the mounting portion and the contact portion, and the exterior portion is softer than the base portion and harder than the tip portion. Is preferable.
上記構成によれば、物体の表面に接触部を接触させた状態のまま、接触部を動かす際に生じる引っ掛かりを抑制できる。これにより、触診する場合のように、物体の表面を滑らせるように接触部を移動させながら、物体の部位毎の触感を検出することが容易になる。 According to the above configuration, it is possible to suppress the catching that occurs when the contact portion is moved while the contact portion is in contact with the surface of the object. This makes it easy to detect the tactile sensation of each part of the object while moving the contact portion so as to slide the surface of the object, as in the case of palpation.
本発明の触感センサによれば、柔らかい物体に触れた場合の触感等の低周波領域の振動を生じさせる触感を検出できる。 According to the tactile sensor of the present invention, it is possible to detect the tactile sensation that causes vibration in a low frequency region such as the tactile sensation when touching a soft object.
以下、本発明の一実施形態を説明する。
図1に示すように、触感センサ10は、使用者の指に装着される装着部11を備えている。装着部11は、使用者の指が挿入される断面環状の環状部分を有する袋状をなし、伸縮可能な材料により構成されている。装着部11を構成する材料としては、例えば、シリコーンやウレタン等のエラストマー材料、ストレッチ生地が挙げられる。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described.
As shown in FIG. 1, the
装着部11には、物体に接触させることにより、物体Aの表面との間に後述する閉空間Sを形成する接触部12が支持されている。接触部12は、先端が開口する筒状の基部13と、基部13の先端に一体に接続され、基部13よりも柔らかい先端部14とを備え、基部13の基端部分において装着部11に支持されている。
The
基部13は、全体として筒状に形成され、装着部11に支持される基端側から先端側に向かって、その内径が徐々に拡径する拡径部13aを備えている。接触部12において、基部13は、相対的に硬い硬質材料により形成される部位であり、例えば、ショアA硬度が90以上であることが好ましく、95以上であることがより好ましい。基部13を構成する硬質材料としては、例えば、ポリプロピレン、ABS等の硬質樹脂や金属が挙げられる。
The
先端部14は、基部13の先端全体に設けられる筒状の部位である。先端部14の基端の内径は、基部13の先端の内径と同じであり、基端側から先端側に向かって徐々に拡径している。接触部12において、先端部14は、相対的に柔らかい軟質材料により形成される部位であり、例えば、ショアA硬度が40以下であることが好ましく、10~40であることがより好ましく、20~30であることが更に好ましい。先端部14を構成する軟質材料としては、例えば、シリコーン、ウレタン、アクリル等のエラストマーが挙げられる。
The
基部13の軸方向における先端部14の長さは、例えば、0.5mm以上であることが好ましく、1~10mmであることがより好ましい。また、基部13の軸方向における先端部14の長さは、基部13の軸方向の長さよりも短いことが好ましい。
The length of the
接触部12の基部13の基端には、基部13の基端を閉塞するとともに、その一部が装着部11の内面側に露出した状態として振動センサ15が取り付けられている。振動センサ15は、接触部12内の空気の振動を検出する。振動センサ15としては、少なくとも1~10Hzの低周波領域の振動を検出可能なセンサが用いられ、その具体例としては、コンデンサマイク、ダイナミックマイク、ピエゾ型センサ、加速度センサ、空気圧センサが挙げられる。これらのなかでも、低周波領域から高周波領域までの広範囲の振動を検出できることから、コンデンサマイクを用いることが好ましい。振動センサ15は、接触部12内の空気の振動に基づく触感情報としての検出信号を外部機器に送信するための端子16に接続されている。
A
接触部12の周囲には、装着部11の外面と接触部12との間の凹凸を埋める外装部17が配置されている。外装部17は、基部13よりも柔らかく且つ先端部14よりも硬い軟質材料により形成されている。外装部17は、例えば、ショアA硬度が20~60であることが好ましく、30~50であることがより好ましい。外装部17を構成する軟質材料としては、例えば、シリコーン、ウレタン、アクリル等のエラストマーが挙げられる。
Around the
次に、触感センサ10を用いて触感を検出する態様を本実施形態の作用とともに説明する。
まず、図1~3に基づいて、触感センサ10を用いて、測定対象となる物体Aの柔らかさに基づく触感を検出する場合について説明する。なお、図2及び図3においては、装着部11及び外装部17の図示を省略している。
Next, an aspect of detecting the tactile sensation using the
First, a case where the tactile sensation based on the softness of the object A to be measured is detected by using the
図1に示すように、触感センサ10は、使用者の指に袋状の装着部11を被せることにより装着状態とされる。この装着状態において、図2に示すように、物体Aの表面に対して、接触部12の先端部14を接触させる。これにより、物体Aの表面と接触部12との間に密閉された閉空間Sが形成される。なお、物体Aの表面が平面状でない場合であっても、物体Aの表面の形状に追従して先端部14が変形することによって閉空間Sが形成される。
As shown in FIG. 1, the
図3に示すように、閉空間Sを形成した状態から、物体Aに対して接触部12をゆっくりと押し付けると、柔らかい先端部14が潰れるように変形して閉空間Sの形状が変化し、閉空間S内に低周波領域の振動が生じる。物体Aに接触部12を押し付けた際の先端部14の変形量や変形速度等の変形の態様は、物体Aの柔らかさに依存するため、閉空間Sの形状の変化にともなって生じる閉空間S内の空気の振動の振動パターンも、物体Aの柔らかさに依存したものになる。振動センサ15は、閉空間S内の空気の振動を触感情報として検出し、端子16に接続される外部機器(図示略)に出力する。例えば、振動センサ15がコンデンサマイクである場合、閉空間S内の空気の振動を静電容量の変化として検出し、その静電容量の変化に基づく電気信号を外部機器に出力する。
As shown in FIG. 3, when the
ここで、接触部12の基部13は、先端が開口するとともに基端側から先端側に向かって内径が拡径する筒状に形成されている。そのため、閉空間Sの形状が変化したとき、閉空間S内の空気は、基部13における大径の先端側から小径の基端側へと大きく動き、基部13の基端に設けられた振動センサ15を大きく動かす。これにより、閉空間S内に生じる空気の振動を振動センサ15にて感度良く検出できる。
Here, the
また、閉空間S内の空気が基部13の先端側から基端側へと動く際に、基部13が変形したり、振動したりすると、その基部13の動きによって空気が振動して外乱となる。そこで、触感センサ10では、接触部12の基部13を先端部14よりも硬く形成することにより、基部13を動き難くして上記外乱の発生を抑制している。これにより、物体Aの触感に基づく空気の振動を振動センサ15にて感度良く検出できる。
Further, when the air in the closed space S moves from the tip end side to the base end side of the
次に、触感センサ10を用いて、測定対象となる物体Aの微細な変位に基づく触感を検出する場合について説明する。ここでは、物体Aの微細な変位として、生物の脈動を検出する場合について説明する。
Next, a case where the tactile sensation based on the minute displacement of the object A to be measured is detected by using the
図1及び図2に示すように、上記と同様に触感センサ10を装着状態として、測定対象となる物体Aにおける脈動を感じやすい部位(例えば、人体の手首)に接触部12の先端部14を接触させて、物体Aの表面と接触部12との間に閉空間Sを形成する。この状態において、脈動により物体Aの表面が上下に変位すると、物体Aの表面の位置が変化することにより閉空間Sの形状が変化し、閉空間S内に低周波領域の振動が生じる。振動センサ15は、この脈動に基づく閉空間S内の空気の振動を触感情報として検出し、端子16に接続される外部機器(図示略)に出力する。
As shown in FIGS. 1 and 2, with the
この場合にも上記と同様のメカニズムにより、閉空間S内に生じる空気の振動を振動センサ15にて感度良く検出できるとともに、上記外乱の発生が抑制されて、物体Aの変位に基づく空気の振動を振動センサ15にて感度良く検出できる。また、脈動により物体Aの表面が上下に変位したとき、その変位に追従して、柔らかい先端部14が変形することにより、閉空間Sの密閉状態が維持される。これにより、閉空間S内の空気の振動が外部に逃げることが抑制されて、閉空間S内の空気の振動を振動センサ15にて感度良く検出できる。
In this case as well, by the same mechanism as described above, the vibration of the air generated in the closed space S can be detected with high sensitivity by the
なお、本実施形態の触感センサ10の適用例としては、遠隔診断システム等の触感伝送システムが挙げられる。以下、触感センサ10を遠隔診断システム20に適用した場合について説明する。
An example of application of the
図4に示すように、遠隔診断システム20は、患者側にて使用される第1装置20Aと、患者と離れた遠隔地に存在する医師側にて使用される第2装置20Bとを備えている。第1装置20Aは、触感センサ10と、触感センサ10により検出された触感情報を送信する送信部21とを備えている。第2装置20Bは、第1装置20Aから送信された触感情報を受信する受信部22と、装着者に触感を提示する触感提示装置23と、受信部22により受信された触感情報に基づいて触感提示装置23の動作を制御する制御部24とを備えている。触感提示装置23としては、例えば、誘電エラストマーアクチュエータ等の高分子アクチュエータ、偏心モータ、圧電素子等をアクチュエータとする触感提示装置を用いることができる。
As shown in FIG. 4, the remote
遠隔診断システム20においては、遠隔地に存在する医師からの指示に従って、患者側に存在する介護者、ロボット又は患者本人が触感センサ10を装着した状態で患部を触り、患部の触感を取得する。第1装置20Aは、触感センサ10により取得された患部の触感に基づく触感情報を遠隔地の第2装置20Bへと送信する。第2装置20Bの制御部24は、送信された触感情報に基づいて、医師に装着された触感提示装置23に患部の触感を再現させる。これにより、遠隔地に存在する医師は、実際に患者の患部に触れた場合に近い触感を取得することができ、遠隔地において適切な診断を行うことができる。
In the
次に、本実施形態の効果について記載する。
(1)物体Aから受ける触感を検出する触感センサ10は、物体Aに接触させることにより、物体Aの表面との間に閉空間Sを形成する接触部12と、閉空間S内の空気の振動を検出する振動センサ15とを備えている。接触部12は、先端が開口するとともに基端側から先端側に向かって内径が拡径する筒状の基部13と、基部13の先端に接続されて、基部13よりも柔らかい先端部14とを備えている。振動センサ15は、少なくとも1~10Hzの低周波領域の振動を検出可能であるとともに、基部13の基端に配置されている。
Next, the effect of this embodiment will be described.
(1) The
上記構成によれば、柔らかい物体Aに接触部12が触れたときや、物体Aとの間に閉空間Sを形成した状態において物体Aの表面が変位したときに生じる閉空間Sの形状の変化に基づく空気の振動を触感情報として感度良く検出できる。
According to the above configuration, the change in the shape of the closed space S that occurs when the
(2)振動センサ15は、コンデンサマイクである。
上記構成によれば、低周波領域から高周波領域までの広範囲の振動を検出できる。そのため、様々な触感の検出に適したものになる。
(2) The
According to the above configuration, it is possible to detect a wide range of vibrations from the low frequency region to the high frequency region. Therefore, it is suitable for detecting various tactile sensations.
(3)先端部14は、ショアA硬度が40以下である。
上記構成によれば、物体Aに対して接触部12を押し付けた際に、物体Aの柔らかさに依存した振動パターンの振動が生じやすくなる。また、閉空間Sを形成した状態で物体Aの表面が変位した際に、閉空間Sの密閉状態を維持させることが容易である。
(3) The
According to the above configuration, when the
(4)接触部12を支持する装着部11を備えている。装着部11は、断面環状であり、伸縮可能なエラストマー材料又はストレッチ生地により構成されている。
上記構成によれば、操作者の指等の装着部位に触感センサ10を簡単かつ確実に装着できるため、上記構成の触感センサ10は、ウェアラブルな装置として適している。
(4) A mounting
According to the above configuration, the
(5)接触部12の周囲に配置されて、装着部11と接触部12の間の凹凸を埋める外装部17を備えている。外装部17は、基部13よりも柔らかく、先端部14よりも硬い。
(5) An
上記構成によれば、物体Aの表面に接触部12を接触させた状態のまま、接触部12を動かす際に生じる引っ掛かりを抑制できる。これにより、触診する場合のように、物体Aの表面を滑らせるように接触部12を移動させながら、物体Aの部位毎の触感を検出することが容易になる。
According to the above configuration, it is possible to suppress the catching that occurs when the
なお、本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・接触部12の基部13の拡径部13aの内周形状に関して、基端側から先端側に向かって内径が拡径する態様は特に限定されるものではない。例えば、断面直線状に拡径する形状であってもよいし、断面曲線状に拡径する形状であってもよいし、断面階段状に拡径する形状であってもよい。
In addition, this embodiment can be changed and carried out as follows. The present embodiment and the following modified examples can be implemented in combination with each other within a technically consistent range.
Regarding the inner peripheral shape of the enlarged diameter portion 13a of the
・上記実施形態では、接触部12の基部13の先端側の部分を拡径部13aとして、基端側から先端側に向かって内径が拡径する形状としていたが、基部13の全体を、基端側から先端側に向かって内径が拡径する形状としてもよい。
-In the above embodiment, the portion on the tip end side of the
・上記実施形態では、接触部12の先端部14の内周形状を変更してもよい。例えば、断面直線状に拡径する形状であってもよいし、断面曲線状に拡径する形状であってもよいし、断面階段状に拡径する形状であってもよい。また、基端側から先端側まで内径が一定である内周形状としてもよい。
-In the above embodiment, the inner peripheral shape of the
・物体Aの表面との間に閉空間Sを形成可能であれば、基部13の基端側の端部の形状は特に限定されるものではない。例えば、基部13の基端側を振動センサ15にて閉塞する構成に代えて、基端を閉塞する端壁を有する有底筒状の基部13を採用し、基部13の端壁の内面に振動センサ15を取り付けてもよい。
The shape of the end portion of the
・装着部11は、指以外の部位に装着するための構成であってもよい。また、装着部11の形状は袋状に限定されるものではなく、装着する部位等に応じて適宜、変更できる。ただし、装着性の観点から、リング状、紐状、帯状等の環状部分を有する構成又は装着時に環状部分を形成できる構成であることが好ましい。また、装着部11を省略してもよい。
-The mounting
・外装部17は、装着部11と接触部12の間の凹凸を完全に埋める構成に限定されるものではなく、少なくとも、装着部11と接触部12の間の凹凸の段差を小さくできるものであればよい。
The
・外装部17に関して、基部13よりも硬い材料により形成されていてもよいし、先端部14よりも柔らかい材料により形成されていてもよい。また、外装部17を省略してもよい。
The
・触感センサ10は、物体Aから受ける触感に基づいて何らかの動作を実行する出力装置(例えば、触感提示装置23)の一部として構成されるものであってもよい。
The
A…物体、S…閉空間、10…触感センサ、11…装着部、12…接触部、13…基部、13a…拡径部、14…先端部、15…振動センサ、16…端子、17…外装部、20…遠隔診断システム、20A…第1装置、20B…第2装置、21…送信部、22…受信部、23…触感提示装置、24…制御部。 A ... object, S ... closed space, 10 ... tactile sensor, 11 ... mounting part, 12 ... contact part, 13 ... base, 13a ... enlarged diameter part, 14 ... tip part, 15 ... vibration sensor, 16 ... terminal, 17 ... Exterior unit, 20 ... remote diagnosis system, 20A ... first device, 20B ... second device, 21 ... transmission unit, 22 ... receiver unit, 23 ... tactile presentation device, 24 ... control unit.
Claims (5)
前記物体に接触させることにより、前記物体の表面との間に閉空間を形成する接触部と、
前記閉空間内の空気振動を検出する振動センサとを備え、
前記接触部は、先端が開口するとともに基端側から先端側に向かって内径が拡径する筒状の基部と、前記基部の先端に接続されて、前記基部よりも柔らかい先端部とを備え、
前記振動センサは、少なくとも1~10Hzの低周波領域の振動を検出可能であるとともに、前記基部の基端に配置されていることを特徴とする触感センサ。 It is a tactile sensor that detects the tactile sensation received from an object.
A contact portion that forms a closed space between the object and the surface of the object by being brought into contact with the object.
It is equipped with a vibration sensor that detects air vibration in the closed space.
The contact portion includes a cylindrical base portion whose inner diameter increases from the base end side to the tip end side as the tip opens, and a tip portion connected to the tip end of the base portion and softer than the base portion.
The vibration sensor is a tactile sensor capable of detecting vibration in a low frequency region of at least 1 to 10 Hz and being arranged at the base end of the base portion.
前記装着部は、断面環状であり、伸縮可能なエラストマー材料又はストレッチ生地により構成されている請求項1~3のいずれか一項に記載の触感センサ。 A mounting portion for supporting the contact portion is provided.
The tactile sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the mounting portion has an annular cross section and is made of a stretchable elastomer material or a stretch fabric.
前記外装部は、前記基部よりも柔らかく、前記先端部よりも硬い請求項4に記載の触感センサ。 It is provided around the contact portion and has an exterior portion that fills the unevenness between the mounting portion and the contact portion.
The tactile sensor according to claim 4, wherein the exterior portion is softer than the base portion and harder than the tip portion.
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