研究業績 藤井 叙人 （ふじい のぶと，Nobuto Fujii） sig skl 20080916 A

テレビゲーム熟達者の超絶技巧に関わる脳活動

Brain activity about super skill of video game master

八田原 慎悟

藤井 叙人

風井 浩志

古屋 晋一

片寄 晴弘

Shingo Hattahara

Nobuto Fujii

Koji Kazai

Shinichi Furuya

Haruhiro Katayose

1

関西学院大学大学院

1

Graduate School, Kwansei Gakuin University

2

関西学院大学

2

Kwansei Gakuin University

Abstract: The present study investigated the neural activation pattern at the prefrontal region during learning a novel video game task by a highly-skilled game player. We measured brain activity, performance, and hand movement during playing a video game using fNIRS and video camera. The results demonstrated clear decreases in brain activity as well as the amount of finger and hand movements during playing the game with training. These findings would reflect the acquisition of more efficient movement patterns during playing the video game.

1 ^はじめに

テレビゲームは，老若男女を問わず多くのヒトに親 しまれており，家庭におけるエンタテインメントの一 翼を担うに至っている．近年，テレビゲームと脳活動の 関連性に注目した研究も取り組まれるようになり，実 施中および継続的に，脳活動，特に前頭前野の活動が 低下するという報告がなされた．ゲームジャンル別分 析[1] や，対人 vs. 対 Computer 条件の比較 [2] 等，精 緻な要因計画による脳活動計測事例も蓄積されつつあ る．他にも，テレビゲームのアマチュアと経験者とい う基軸での脳活動の比較実験を行ったものには川島ら の研究[3] があるが，これを含め、関連研究では経験者 としてはいわゆる中級者のみが取り上げられることが 多かった．

この点に関して筆者らは被験者を熟達者_{(対象ゲーム} の全国ランキング入賞者) ，中級者 (関連研究での経験 者相当) ，初心者 (普段テレビゲームをせず対象ゲーム は未経験) に分類してテレビゲーム実施中の脳活動を計 測し，「初心者，中級者においては前頭前野の活動が 低下するが，熟達者においては上昇する」「熟達者の前 頭前野の活動は熟達したゲームにおいて最も上昇する」 ということを示した[4]．熟達者は中級者，初心者と比 較してパフォーマンス(テレビゲームのスコア) が極め て高いだけでなく，動作においても中級者，初心者と は違った特徴的な動きをしつつ，自分の腕を通してコ

∗連絡先：関西学院大学片寄研究室

〒662-8501 兵庫県西宮市上ケ原一番町 1-155       E-mail: [email protected]

ントローラ，画面上の自機まで自分という意識を広げ 高いレベルで操っており，筆者らはその獲得過程に興 味を持って研究を進めている．本稿ではその第一報と して，熟達者が「熟達したジャンルの初めて実施する ゲーム」に熟達していく過程での脳活動，パフォーマ ンス，運動技能の変化について報告する．

2 ^先行研究

脳活動とテレビゲームの関係に注目した研究として は，開らがゲームジャンルによる脳活動への影響の差 を調査している[1]．ジャンルにはシューティングゲー ム，リズムアクションゲーム，パズルゲームの_{3 ジャ} ンルを対象とし，テレビゲーム実施時の被験者の前頭 前野の脳活動を計測している．その結果，全てのジャ ンルにおいて前頭前野の脳活動が低下していると報告 している．この脳活動の低下の原因として「視覚情報 を伴ったシーケンシャルな運動の学習において，学習 が進むにつれて前頭前野の脳活動が低下する」_[5]，「視 覚刺激を伴った様々なタスクの実行時に，共通して正 中前頭部付近の活動が低下する」[6] ということからテ レビゲームというメディア固有の影響ではなく，単に 視覚情報を伴う学習に起因する脳活動の変化を見てい た可能性があると考察している．

関連領域の先行研究として，運動技能に関する脳研 究として次のものがある．

Karni らは運動技能と脳活動に注目し，複雑な指運 動による短期記憶と長期記憶を伴う一次運動野_(M1) の活動変化を調べ，短期的にはM1 の活動量は低下す

るが，長期的には上昇すると報告している_[7]． Hund-Georgiadis らは運動技能と熟達度に注目し，ピ アニストと非音楽家に複雑な指運動課題_{(タッピング)} を学習させ，その時の脳活動の変化を_{fMRI を用いて} 調査している[8]．その結果，学習に伴う脳活動の変化 の仕方が、ピアニストと非音楽家では異なるという報 告をしている．学習と共に両群においてタッピング速 度の向上というパフォーマンスの変化がある一方，そ の背景となる脳活動では，一次運動野の活動量におい てはピアニストの方が大きく，より高次の脳部位_(二次 運動野，補足運動野，運動前野，小脳_{) の活動量の減少} 量は，ピアニストの方が小さいこと示している．この ことから熟達度が違えば学習における脳活動にも違い が現れると考察している．

脳活動とテレビゲーム，脳活動と運動技能の関係に 注目した研究では以上に挙げたものなどがあるが，ゲー ムにおける熟達度を厳密に定義し，運動技能の解明を 目的とした研究はこれまでに一切報告されていない．音 楽[9]，言語 [10]，将棋 [11] などの領域においては熟達 度と脳活動の関係を焦点に当てた研究，音楽の分野で は一流ピアニストという極めて高い能力を持つものの 運動技能についての研究[12] が実施されており，タス ク実施における熟達者の特異な脳活動，運動技能計測 事例が示されている．これらの研究は熟達という人間の 高度な知識，技能についての理解を深める研究である．

3 ^実験

熟達者が熟達に至る過程での脳活動，パフォーマン ス，運動技能の変化を検討するために，テレビゲーム 熟達者が「熟達したジャンルの初めて実施するゲーム」 に対して，一定の訓練を重ねていく上での脳活動を計 測し，スコアの推移，コントローラの操作情報，２次 元における指運動を記録，検討した．

3.1 ^被験者

シューティングゲーム熟達者1 名 (23 歳) に対し，実 験した．この熟達者は他のシューティングゲームにお いて，全国1 位のスコアを保持していた経験を持つ．

3.2 実験環境とゲームタイトル

本 実 験 に は ，Sony Computer Entertainment 社製 PlayStation2 上で動作するゲームを用いた．シューティ ングゲーム熟達者に対して，「熟達したジャンルの初め て実施するゲーム」としてデータム・ポリスター社製 シューティング ラブ。 ∼TRIZEAL∼(コントローラは アーケードコントローラを使用) を用いた．本実験に 用いたシューティングゲーム ではプレイヤが自機とな るキャラクタを操り，画面上部から飛来する敵及び敵

図 1: シューティングゲーム画面例

弾をかわしながら，攻撃をしていくことが目的となる (図 1)．

3.3 fNIRS 計測

fNIRS とは生体に対して非常に高い透過性を持つ近 赤外光の特徴を利用して，頭部に近赤外光を照射し，屈 折を繰り返しながら透過してきた光を分析することに よって血液中に含まれる酸素化ヘモグロビン_(oxy-Hb)

，脱酸素化ヘモグロビン(deoxy-Hb) の増減を計測す る手法である．特徴として非侵襲，身体をほぼ拘束な しの普段に近い状態で計測が可能であることが挙げら れる．本研究ではテレビゲームを普段の状態で実施し ている時の脳活動を計測するためにfNIRS を脳機能計 測手法として選択した．

この実験ではfNIRS 計測システム (FOIRE3000 ，島 津製作所製，図2) を用い，酸素化ヘモグロビン (oxy- Hb) ，脱酸素化ヘモグロビン (deoxy-Hb) ，ヘモグロ ビン総量(total-Hb) の変化の相対値を測定した (図 3)． 測定部位は前頭前野とし，脳波計測国際_{10-20 法にお} けるFpz を基点に 24 チャンネル (図 4) で測定した (図 5)．サンプリングレートは 10 Hz とした．

3.4 ^{実験手続き}

実験の流れを図6 に示す．実験前に，被験者に対し て実験内容を説明し，実験参加への同意を得た．その 後，被験者に対し実験を行った．実験要因として以下 の_{1 つを設定した．}

• 要因 1 ：対象ゲームの訓練時間 (訓練なし，1 時 間，_{2 時間，3 時間)}

1 試行は 240 秒間のタスク (課題遂行時間) の前後に 30 秒間の安静時間 (前レストおよび後レスト時間) を 含めた300 秒間とした．被験者に実験するテレビゲー ムについて説明すると共に練習をさせた後，_{fNIRS の} 計測装置を装着，計測を開始した．同時に，実施する

図 2: fNIRS 計測システム (FOIRE3000 ，島津製作 所製₎

図_{3: 計測波形例}

テレビゲームのパフォーマンス，コントローラの操作 情報を記録した．指運動はポイント_{1 :人差し指第二関} 節，ポイント2 :親指関節，ポイント 3 :人差し指付け 根にシール上のポイントを設置，実験時にカメラで録 画した(図 6)．テレビゲームの開始，及び終了の指示 はモニタに表示すると共にアラームが鳴るようにした． 安静時間中はモニタに注視点を表示し，そこに注目さ せた．測定を終えた後，実験に対する内省を聴取した．

3.5 ^{データ処理}

3.5.1 NIRS データ処理

fNIRS からは oxy-Hb ，deoxy-Hb ，total-Hb の 3 種類のデータが得られるが，本研究では脳の神経活動 と正の相関がある[13][14] と報告されている oxy-Hb を 分析の対象とした．

fNIRS によって計測されたデータは Hb 変化の相対 値であるため，測定されたoxy-Hb データの前処理を 以下の手順で行った．まずfNIRS によって計測された oxy-Hb データに対して各チャンネル内で標準化 (平均 を0 ，分散を 1 にする) を行い，z-score を算出した． その上で，前レスト時間のoxy-Hb の平均値とタスク

図4: 測定部位とチャンネル配置

図_{5: 実験風景}

時間内のoxy-Hb の平均値の差分をタスクによる変化 量と定義した．

3.5.2 コントローラ操作情報処理

コントローラ操作情報は使用したアーケードコント ローラの信号をゲーム機とＰＣに分岐させ記録した．記 録した内容はジョイスティックのON/OFF，ショットボ タンのON/OFF である．これらの情報から打鍵 (ON になった) 回数，および使用平均時間 (ON になってか らOFF になるまでの時間) を算出した．

3.5.3 指運動情報の処理

指運動は手に付着したポイントをカメラで取得して 記録した．各々の点を画像情報処理で抽出し重心を計 算，実験時間における録画されたフレームにおける移 動距離を指運動量として定義する．この指標は相対的 な値となり，訓練時間ごとの比較において意味をなす．

図_{6: 実験の流れ}

図 _{7: 手のポイント}

3.6 ^結果

実験結果を図8，図 9，図 10，図 11 に示す．図 8 は

「3.5 NIRS データ処理」によって処理したデータから タスクによるoxy-Hb の増減を色で示したものである． 図9 は各実施時のパフォーマンスを訓練なしの段階に おける最低点を100 として正規化し，表示したもので ある．各点は試行ごと点数を、線分は平均値を示してい る図10 は使用したコントローラからの信号を記録し， 各計測時におけるジョイスティックとショットボタンの 打鍵回数，平均打鍵時間を表示したものである．図₁₁ は指運動を計測するためのポイントの運動量を正規化 して表したものである．人差し指付け根のポイント₃ については画像認識時のノイズが大きく，分析に向か なかったためこれ以降の議論から外す．

• 記録したスコアは訓練を重ねるにつれて上昇した．

• 被験者の oxy-Hb は，訓練なしの状態で上昇し， 訓練を行った後は訓練時間に関らず減少した．

• コントローラ信号ついて，ショットボタン打鍵回 数は2 時間訓練後 までは一定であったが，3 時 間訓練後に減少した．またジョイスティック使用 平均時間は計測3 までは増加傾向にあったが，3 時間訓練後では減少している．ショットボタン平 均打鍵時間，ジョイスティック使用回数はほぼ一 定であった．

• 指運動量は運動なしの状態において最大であり， １時間訓練後は減少，２時間訓練後，３時間訓練

図8: 実験の結果: oxy-Hb の変化

図 9: 実験の結果：パフォーマンス

後には徐々に上昇したが，運動なしの状態までは 上昇しなかった．

3.7 ^考察

記録したスコアの平均値において，点数が徐々に上 昇している様子から熟達者が訓練を重ねるにつれて対 象ゲームに熟達していること，また訓練，計測を繰り 返すことによる疲労の影響が少ないことが確認された．

脳活動について，訓練なしの状態では_{oxy-Hb は上} 昇したが，訓練を行った後はoxy-Hb が減少した．これ は「運動計画を行う際に前頭前野が賦活する」_{[15] とい} う先行研究から，熟達者が訓練なしの状態では手の動 き，及び画面上の自機の動きの運動計画を行っていた ため，脳活動が上昇したが，訓練が進むにつれて各々の 運動計画を体得し，必要性が薄くなったことに起因す る可能性が考えられる．上記に関連して筆者らの研究 ではリズムアクションゲームの熟達者が熟達したゲー

図10: 実験の結果：コントローラ操作情報

図11: 実験の結果：指運動量

ムを実施している際は前頭前野の活動が上昇していた． これはリズムアクションというゲームが視覚情報だけ でなく，聴覚情報も用いて行うことから，リズムの知 覚による前頭前野における活動の上昇_{[16] や，旋律の} 知覚による運動前野における活動の上昇_{[17] に関連す} るものではないかと考察した．シューティングゲーム 熟達者，リズムアクションゲーム熟達者は共に高得点 を取得するために必要な情報を多く処理しており，そ れが脳活動の上昇に繋がっているのではないかと考え られる．またoxy-Hb は 2 時間訓練後 までは減少傾向 にあったが，3 時間訓練後 では若干減少が弱まってい る．本実験では熟達者による「これ以上の得点向上は 見込めない」との内省報告から3 時間で訓練を停止し たが，熟達に至った段階での脳活動の上昇はさらなる 訓練を重ねた後に生じる可能性が考えられる．

記録したコントローラ情報においても熟達に関する 変化を見ることができる．ショットボタン打鍵回数が計 測3 までは一定であったが，計測 4 で減少，ジョイス ティック使用平均時間が計測3 までは増加傾向にあっ たが，計測4 では減少している．よって計測 4 の段階

ではスコアは上昇傾向ながら，ショットボタンの使用 回数が減り，ジョイスティックの使用時間が減りコント ローラ操作の効率化が進んだことがわかる．この点か らも，熟達に至る傾向が示唆されている．

また指運動量について，熟達者の内省報告と合わせ て考えると訓練なしの状態では自機の動き，敵の動き など多くの要素を確認するために大きく動き，_{1 時間} 訓練後にはゲーム内での高得点取得要素を細分化する ため動きが減少，以降は高得点を取得するための要素 を取り込んでいったため指運動量が大きくなっていた と考えられる．

コントローラ操作情報と指運動量の関係についても 興味深い．図12 はコントローラ操作情報と指運動量を それぞれの初期値を100 としてレンジを合わせて表示 したものである．この図から被験者のジョイスティッ クを動作させた回数と指運動量が同様の変化をしてい ることがわかる．カメラでとらえた指運動量の変化は ジョイスティック動作回数によるところが大きく，熟達 という現象はジョイスティックを操作する時間に関わ るものである可能性がある．

本実験では「熟達者の熟達したゲーム実施時におけ る脳活動の上昇」は確認されなかった．この理由につ いてはKarni らの「複雑な指運動の学習に伴う運動関 連領域の活動量の変化について，短期的な訓練の結果， 脳活動量は減少するが、長期的な訓練に伴い、活動量 が増大する[7]」とする報告に関連する可能性がある． Karni らは，学習初期では運動効率の良い運動プログ ラムを習得するために脳活動量は減少するが，時間の 経過に伴い，学習した運動記憶を長期間保持できるよ うに増強されたと考察している．我々は、先行研究にお いて、ゲーム課題時の脳活動量は、非熟達者に比べて 熟達者の方が多いことを明らかにした_{[4]．さらに，本} 研究の結果，短期間のゲーム訓練により，前頭前野の 活動量が減少することが明らかとなった．これらの結 果は，短期的な学習と長期的な学習に関わる神経機構 の違いに関するKarni らの考察を支持するものである と考える。また他の理由としては「熟達」というもの が点数の上限に達することではなく，上限となった点 数を常に出せるようになること，または上限が通常の 状態になることである可能性がある．訓練，計測を一 両日に行ったことによる慣れの効果も考えられる．今 後の実験計画において訓練期間の延長，数日に分けて の実験が必要である．

4 ^まとめ

本研究ではテレビゲーム熟達者の訓練を重ねる過程 において，パフォーマンスが上昇するとともに脳活動 が低下するという結果を得た．また脳活動が低下した 後に熟達者に特有の脳活動の上昇が存在する可能性に

図12: コントローラ操作情報と指運動量 ついても示唆された．

今後は，熟達者を熟達者たらしめているものが何か， 熟達過程実験の熟達者の被験者を増やし，訓練期間に ついての検討を重ね，中級者や初心者の熟達過程につい ても実験を行い、熟達者との差について検証していく．

参考文献

[1] 開一夫, 松田剛: インタラクティブゲームにおける 脳血流変化, 株式会社キャラ研 スカラシップ研 究発表_{, (2002).}

[2] 玉越勢治, 高橋励, 寺尾将彦ほか: fNIRS を用いた 対戦型ゲームのエンタテインメント性の初期的検 討, 第 3 回エンタテインメントコンピューティン グ抄録_{, (2006).}

[3] 川島隆太, 泰羅雅登: テレビゲームの脳への影響 についての基礎的研究, 中山財団リポート, Vol.13, pp.9-16 (2005).

[4] 八田原慎悟，藤井叙人，長江新平ほか: テレビゲー ムプレイ時の熟達者と非熟達者の脳活動の比較_{, エ} ンタテインメントコンピューティング2007, (2007). [5] Sakai, K., Hikosaka, O., Miyauchi, S., et al.: Transition of brain activation from frontal to parietal areas in visuomotor sequence learning: Journal of Neuroscience, Vol.18, pp.1827-1840 (1998).

[6] Shulman, G.L., Fiez, J.A., Corbetta, M., et al. Common blood flow changes across visual tasks: II. Decreases in cerebral cortex, Journal of Cog- nitive, Neuroscience, Vol.9, pp.648-663 (1997). [7] Karni, A., Meyer, G., Jezzard, P., et al.: Func-

tional MRI evidence for adult motor cortex plas- ticity during motor skill learning, Nature, Vol.14, pp.155-158 (1995).

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[9] 増田清香, 片平健太郎, 岡ノ谷一夫ほか: 音楽熟練 者における聴覚表象の形成, 第 9 回認知神経科学 会発表_{, (2004)}

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[11] 羽生善治, 伊藤毅志, 松原仁: 先を読む頭脳, 新潮 社_(2006).

[12] Furuya S, Kinoshita H.: Expertise-dependent modulation of muscular and non-muscular torques in multi-joint arm movements during pi- ano keystroke, Neuroscience (in press), (2008). [13] Hoshi, Y., Kobayashi, N. and Tamura, M.: Inter-

pretation of nearinfrared spectroscopy signals: a study with a newly developed perfusedrat brain model, Journal of Applied Physiology, Vol.90, pp.1657-1662 (2001).

[14] Jueptner M. and Weiller C.: Does measurement of regional cerebral blood flow reflects synaptic activity? - Implications for PET and fMRI, Neu- roimage, Vol.2, pp.148-156 (1995).

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[16] Zatorre, RJ., Chen, JL. and Penhune, VB: When the brain plays music: auditory?motor interac- tions in music perception and production: Na- ture Reviews Neuroscience, Vol.8, pp.547-558 (2007).

[17] Chen, JL., Zatorre, RJ. and Penhune, VB.: Interactions between auditory and dorsal pre- motor cortex during synchronization to musi- cal rhythms: NeuroImage, Vol.32, pp.1771-1781 (2006).

スキルトロニクスな道具

Skil-tronics Props

西野順二

Junji NISHINO

1

電気通信大学システム工学科

1

Dept. Systems Engineering, The University of Electro-Communications

Abstract: A novel tools design method skil-tronics was proposed in this paper. When we perform some objectives, we use tools and our skill to handle them. We also make new tools in some case, based on high-technology. Skil-tronics require us a well trained skill to handle the new tool. This skill assumption makes tools more simple, inexpensive and robust.

1 はじめに

本稿では、人間と機械の関係の新たな視点として、

「スキルトロニクス : skil-tronics」という概念を提案 する。また、すでにスキルトロニクスな道具として存 在するモノを例にあげて思考実験による分析と考察を 行う。

近年、メカトロニクスの進歩により、産業界はもと より日常生活においても、高度でインテリジェントな 各種の人工物が利用され、また不可欠なものとなって いる。携帯電話、コンピュータ、ロボット、自動車、自 動販売機から腕時計に至るまで、さまざまな「道具」が 作られている。

こうした道具の設計にあたって、最近ではヒトに優 しいをキーワードとしてヒューマンインタラクション の研究結果が活用されている。ここでの目的は使いや すさであり、多くの場合にはいまそこに居る「普通の」 人々にとって使いやすいものを指す。これは機械が人 間に歩みよる方向性であり、その基本原理はインテリ ジェントな機械とその技術、いわゆるメカトロニクス である。

いっぽう、楽器や大工道具など比較的シンプルな技術 で作成された道具では、職人と言われる高度な技能を 持った人間が操ることによって目的を達成する。こうし た身体性や技能については、いわゆるスキルの問題と して認知科学や人工知能の分野において、学習問題さら には暗黙知と知能の関わりとして、スキルサイエンス分 野での研究が盛んである [生田 87, 古川 05, 古川 07]。 本論文で、スキルトロニクスという語によって提案 するのは、人間にも技術にも相応の負担を課す設計思

∗連絡先：電気通信大学システム工学科       〒 182-8585 調布市調布ヶ丘 1-5-1        E-mail: [email protected]

想である。人間と人工物によって達成される協働の目 的効果を設計するにあたり、人間側には現在は無いが

「ありうべき」スキルを仮定した上で、それに対応して 人工物を設計するという姿勢である。すなわち「ヒト にやさしく＜ない＞」設計モデルを提案する。実際の 現場においても、多くの場合には無意識的にこうした スキルと技術の折り合い設計が行われてきた。本稿で はこれを意識的に行うためのツールとして ST ダイア グラムを導入して効果を検討する。

2 スキルトロニクス

「スキルトロニクス」は主体要素として人間を置き、 スキルサイエンスとメカトロニクスを合成した語であ る。この、スキルサイエンス (AI) x メカトロニクス x 人間という三者関係を図式的に表せば、図 1 のように なる。スキルサイエンスと人間をつなぐのは人間の探 求を主とした認知科学研究である。人間とメカトロニ クスの間はヒューマンセンタードシステムの構築であ り、スキルサイエンスとメカトロニクスはアフォーダ ンスによって結びつけられる。

2.1 ヒューマンインタフェース研究との比較

人工物設計としてのヒューマンインタフェース研究 が目指すものは、より多くの人がより快適に負担なく かつ効率良く使える設計であり、人に優しいというキー ワードで表されることが多い。主として機械がインテ リジェントになり、人間が行っていた操作以外の作業計 画など知的部分までをサポートするようになっている。

しかしながら実際には優しくしすぎて人と人工物の

図 1: スキルトロニクスの位置付け

協業パフォーマンスが想定以上に低下したり、設計者 の意図に反して使いにくいという現象がしばしば発生 する。とくにパニック時には、機械と人間の思惑が矛 盾することで失敗することも多く、航空機事故などに もそうした例が見られる [加藤 08]。そもそも、インテ リジェントな道具であっても、使用者が十分に熟練す ることで使いこなせているという現実もある。

スキルトロニクスが目指すものは、技術から人に単 に歩み寄るのではない点で従来と異なる。まず、人がど こまでできるかを明らかにし、そのうえで人にどこま でさせるかを設計し、同時に目標とする協業パフォー マンスから機器を設計する。スキルの設計も含むこと がスキルトロニクスデザインの特徴である。

2.2 アフオーダンスとの関係

道具や技術の持つ意味は、しばしば設計意図を逸脱 し超えることがある。物体が持つ形態や機能が各ユー ザにとってどのように認知され使用されるかという視 点がアフォーダンスである [佐々木 94]。アフォーダン スを意識したデザインとは、スキルを含んだ認知体と しての現存する個々人の個性と物体とのかかわりを積 極的に設計することである。

いっぽうスキルトロニクスが対象とするのは、現状 の個人ではなく、ありうべきスキルを持ったと仮定し た個人である。スキルの設定を未来に進めて変えたア フォーダンスに基づくデザインと言えるかもしれない。

2.3 スキルサイエンスの役割

スキルトロニクスなデザインを行うには、まず対象 となる人間のスキル設計が必要である。個人のスキル

図 2: ST 平面

のモデル化や、学習者のスキル獲得過程のモデル化な どは暗黙知の研究とあいまってスキルサイエンスとし て近年活発に進められている。

スキル設計は、現在の対象者はまだ獲得していない かもしれないスキルレベルを仮定することである。こ うした事象は楽器や大工道具などメカトロニクスでな い道具を用いるときの学習目標モデルと類似している。

しかしながら、スキルトロニクスにおけるスキル設 計では同時に人工物の設計も行っているため、両者の適 切なバランスを取ることが重要であり、また逆にバラ ンスの加減を操作できる自由度があるとも言える。こ の両者の自由度の設計が本概念で最重要な部分である。

3 ST ダイアグラム分析

人の技能と人工物の技術をそれぞれ、スキル (s) とテ クノロジ (t) と表すことにする。人と人工物からなるシ ステムの協業パフォーマンスを p とすれば、p = f(s, t) なる関係を考えることができる。

このとき、スキル軸 S とテクノロジ軸 T とがなす平 面で、スキルトロニクスな人工物のデザインを考える。 なお f(s, t) は便宜的な表現であり、そこには連続性や 有界性、そもそも写像であることなどを一般には期待 できないことを注意しておく。

3.1 ST _{ダイアグラム}

ST ダイアグラムは、図 2 に示したスキル軸 S とテク ノロジ軸 T とがなす平面図である。

人工物の設計開始時点での、人間スキルレベルを s0、 人工物のテクノロジレベルを t⁰で表す。目標とする協

図 3: パフォーマンス曲面、射影、等高線

業パフォーマンスを領域 O として表せば、人工物シス テムの設計とは、(s0, t0) から、領域 O への移動を促す S,T の変化分を与えることにほかならない。

従来は、技能熟達つまり S の増加によって目的達成 する方法 (右矢印)、メカトロニクスつまり T の増加に よって目的達成する方法 (上矢印) が、無意識のうちに 取られていた。

スキルトロニクスデザインは、S,T の両者を同時に増 加させることであり (斜め矢印)、技能と技術の両者と もに比較的少ない負担で目的達成できる可能性を持っ ている。

3.2 _目的領域

ST ダイアグラムはスキルとテクノロジのみだが、実 際には p = f(s, t) の三者関係である。目的パフォーマ ンスの上下限からなる許容域 plow ≥p ≥ phighを満た す p を仮定すれば、上述した目的領域は許容域の ST 平面への影となる。実際的には p がスカラー値である とは限らないが目的を満たす p の集合の影と考えれば 同様である。

連続性などを仮定したとくに簡明な ST 空間とパフ ォーマンス関数 p = f(s, t) を仮定すれば、目的領域と は図 3 に示すようなパフォーマンス関数の等高線で区 切られた領域である。

4 パフォーマンス曲面

ST-p の三者関係に局所的な連続性を仮定すると、パ フォーマンス曲面は STP の三次元空間上の二次元多様

図 4: 加法的パフォーマンス

体と考えることができる。

本節では、代表的なパフォーマンス曲面を示し、そ の特徴を考察する。

4.1 加法的パフォーマンス曲面

適当な定数 A,B によって加法的に s,t が関係付けら れ、式 (1) で表されるパフォーマンスを加法的パフォー マンスと呼ぶことにする。

p= f(s, t) = As + Bt (1) スキルが足りなければテクノロジを足せば良い、と いうモデルであり、ヒューマンインタラクションや、従 来の人間を含むシステム設計の視点である。

特徴として s,t のいずれかが 0 または 0 に近くても、 その分を他方が補うことができる。介護等で用いる運 動機能の弱まった人のための各種補助システムはこの 特徴を利用している。

4.2 乗法的パフォーマンス曲面

s,t が乗法的に結び付けられ、適当な定数 A によって 式 (2) で表されるパフォーマンスを乗法的パフォーマ ンスと呼ぶことにする。

p= f(s, t) = Ast (2) 加法的パフォーマンスと比較したときの特徴として s,t のいずれかが 0 に近くなると、その分を他方だけで は補うことができなくなるモデルである。現実の人工 物システムモデルはこちらに近く、s,t 両者のバランス の重要性を示している。

図 5: 乗法的パフォーマンス

図 6: ST-p 多様体と断面

4.3 _{多様体モデル}

実際の s,t,p による曲面は ST 平面上に直射したとき 多体多になることもありうる。各近傍ではほぼ連続で あると仮定すれば、これは ST-p 空間上の二次元多様 体と考えることができる。

比較的シンプルな例を図 6 に示す。

ST-p 多様体を、s か t いずれかを一定とした切断面 を考える。たとえば t を一定とすれば、スキル変化に よって得られるパフォーマンスの変化である。このと き、図 6 のようなヒダがあるとすると、低いスキルか らのパフォーマンス向上にはギャップがあることを示し ている。こうした多様体上の経路と ST 平面への射影 による関係は、カタストロフィーの様相を示すことも あり、いったん技術に頼って曲面を変化させることで スキル効果をたかめられるといった特性を説明できる。

4.4 ST _の計量

一般にスキルとテクノロジの計量は困難である。問 題によって離散値であったり、スカラーとして表現で きない可能性が高い。実際には、使用するカテゴリー や目的領域の設定に応じて個々に軸の設定と計量方法 の設定が必要である。

ひとつの方針として、複数のテクノロジ、スキルを 点と取れば、それらの一対比較や SD 法による相対化 と比較、順序配列は可能である。また単体での量的評 価として基本要素項目数、テクノロジの場合は部品点 数や製作工数や信頼度、スキルの場合は運動精度や作 業に必要な時間などで測ることも可能である。

5 スキルトロニクス評価

ここでは、さまざま道具を対象に、スキルとテクノ ロジーのバランスおよび設計について検討する。乗物、 カメラ、電話、筆記具、閉じ具については、それぞれ 既存の道具の思考実験による分析を行う。

ジャグリング用具については、スキルトロニクスを 意識した新たな設計を行う。

5.1 ジャグリング用具の設計

ジャグリングとは、ボールなどを繰返し投げ上げて キャッチすることで行う曲芸演技である。そのうちボー ルトスは基本的なジャグリング技であり、複数のボー ルを投げることで行うアクトである。動きなどの綺麗 さと面白さの提示を目標として行われる。

スキル、テクノロジー、スキルトロニクスの３種類 の解決方法をそれぞれ考え、比較した [西野 08]。すな わち、スキル重視ボール、テクノ重視ボール、スキル トロニクスボールの三種類を設計製作する。

設計目標は、ボールトスアクトにおいて、ボールに 発光体を組み込んで投げ、空間に光の軌跡を生成する ことを目指す。たとえば軌跡として、ボールを投げ上 げて頂点に達したときにだけ光るような新たなライト ボールシステムを作ることを考える。

スキル重視ボールで目標を実現するには、ボールに 操作可能なスイッチを組込みボール軌道の最上点です ばやく腕を追従させて操作すればよい。しかし、この 場合３つ以上のボールを扱うので、他のボールも常に キャッチしなければならない。軌道の頂点で手を出す 時間的余裕がほとんどないという困難性があり高度な スキルが要求される。

メカトロニクス重視ボールは、ボールにマイクロプ ロセッサと速度・位置センサなどを組み込み、頂点部 に達したことを検出して自動で明滅させる手法である。

図 7: ボールトスアクトとその設計

これにより人に求められるスキルは、基本的なジャグ リング技能だけになり、自動で明滅することで目標軌 跡を実現できる。

しかしながら、空中に放出された小型物体の速度と位 置を正しく計測することは技術的に困難な問題である。 計測系として容易に組み込めるのは加速度センサーで あるが、速度と位置を知るには積分が必要で誤差の累 積が無視できず、またボール自体の回転の影響もあっ て正確な測定は現実的とは言えない。外部のモニタリ ングを行うとなれば、３次元位置測定や通信システム が必要となる。

また、技術による空間に光の軌跡を描く別の解法と して、おおきな投影装置を用いる方法もある。この場 合はジャグリングとは言えなくなる点に問題がある。 スキルトロニクスボールでの解は次の通りである。 以下に示すスキルを仮定すればボールは一定時間間隔 で明滅するだけの回路を組込むことで実現できる。

すなわち、図 7 に示すように操作者が一定時間間隔 でのボール軌道を実現すれば、時間パタンを人間が目 的にむけて空間的に変換したことと同じであり、目的 を達成することができる。

このとき操作者に求められるありうべきスキルは、 正確なリズムで空間にボール軌道を描くことのみであ る。一定リズムでボールを操ることは難しくスキルを 必要とするが、スキルボールの頂点軌道での高速なス イッチ等の開閉よりは容易で、実現可能な範囲である。

5.2 _{カメラの分析}

フィルムカメラとデジタルカメラは、仕組みが違い すぎて比較が難しい。いっぽう、一眼レフと、コンパ クトカメラの比較は、スキルとテクノロジーの加法性 が成り立つ比較である。ここで一眼レフと呼ぶのは基

本的に絞りとピントを手動で行うことを指す。(実際に は全自動に近いものもある)

コンパクトカメラはテクノロジーによって、絞りと ピントを自動調節し、操作に自信のない人でも手軽に 撮れることに特徴がある。一眼レフはこれらの操作ス キルがないと、ピントの合った写真を撮ることも困難 である。しかしスキルによって、披写界深度の制御や、 ソフトフォーカスなどの表現が可能となる。これらは、 テクノロジーでも実現可能だが、視界内の物体指定や、 ソフト度合のこまかな設定など、自動でやるにはかな り難しい問題である。回しやすいピント機構や、シャッ タースピードとの自動連係など、部分的には自動化さ れていることから、一眼レフはスキルトロニクスな道 具と考えられる。

5.3 _{乗物の分析}

人間が移動するために用いる乗物を考える。靴、ス キー、ソリはスキルフルな道具である。使いこなすこ とでパフォーマンスは上がるが、道具の果たす役割は むしろ小さい。自転車は、スキルトロニクスな道具で あり、場合によって乗り手を選ぶ道具といえる。必要と されるスキルは、バランス制御と推力生成である。小 回りが効く高い運動性能を持ち、スキルレベルよって は段差の昇降も可能となる。

自家用車も乗り手を選ぶという意味で、ややスキル トロニクスな道具である。基本的な車を仮定すると S 字やクランク走行、幅寄せ、車庫居れなどスキルによっ て実現している。

動く歩道 (エレベータ・エスカレータ) の類は、テク ノフルである。いったん乗ったあとは、機械の指定す る行き先にしかゆけず、その間は全自動である。操縦 不要の全自動型自家用車もこの部類に入れられよう。

5.4 _電話

使用に必要なスキルで並べると、電報、公衆電話、モ バイル IP フォン、携帯電話、固定電話、の順になる。 電報には文面と文字数を調整するスキルが必要である。 IP フォンでは、接続可能な位置を探すことが必要であ り、そのためのスキルは重要である。

いっぽうテクノロジで並べると、必ずしもスキルの 逆順とならない。電報、固定電話、公衆電話、携帯電 話、モバイル IP フォンとなる。基地局の追跡など携帯 電話のテクノロジの方が IP フォンより高いかもしれな いが、ともかく無線系システムのほうが、有線より工 業的負担は高い。必要スキルと必要テクノロジの和で 考えると、固定電話は非常に効率良いシステムである といえよう。

5.5 _筆記具

ペン、筆、鉛筆、クレヨン、についてはまず、きち んと使いこなすまでのスキルが必要である。そして使 いこなすことができれば、それぞれ多彩な描線を引き だすことができる。たとえば筆と墨では細太の差やハ ネ、カスレなどの表現ができ、絵画にも用いることが できる。

エアブラシは太さや濃さの調整スキルを、テクノロ ジーで力から時間に置き換えている。幅広さが筆とは 違うものの、基本的に目指す方向は類似している。サ インペンでは、筆致の太さの違いを実現するため、両 端にペンを付けるという技術が用いられる。スキルを 必要とせず、太さのかき分けが可能となるが、中間の 自由な太さは描画できない。タイプライタとワープロ は、文字を書くことに特化したテクノロジを持つ筆記 具である。文字自体は非常に綺麗に発字可能だが、書 体や大きさを変えることが難しい場合がある。

筆記具に共通する性質として、どれもスキル、テク ノロジともに必要とし、その関係が乗法的になってい る。テクノロジの高いワープロであっても、文章を書 くためにはタイプは必須である。入力の自動予測や編 集アシストなども効果はあるが、タイプ速度それ自体 はボトルネックである。

5.6 _閉じ具

服など布物体を閉じ合わせることを考える。スキル の順番に、並べると次のようになる。なし、帯、紐、ボ タン、フック、ジッパー、面ファスナー、マグネット、 ゴム

「なし」は、服であれば単に巻いただけで留める方 法で、ローマ風ケープや東南アジアの巻きスカートが ある。留め方のスキルがないと着衣することができな い。帯は外部から摩擦を用いて留める道具であるが、基 本原理は巻きスカートと同じである。太手の紐を付け た丹前やちゃんちゃんこ形式となると、紐結びができ れば閉じることができる。引き解け結びなど使う人を 選ぶ。

ボタン付け外しは小児のトレーニングに入っていて、 使用頻度が高くかつスキルを要求する閉じ具である。社 会的な要請のあるスキルフルな道具の一つである。紐、 ボタン、フックなどは、使用者にスキルを強要するこ とで、不必要に高度にならずに目的を達する、スキル トロニクスな閉じ具であると言える。

マグネットやゴムによる閉じ機構は、コツやスキル をほぼ必要としない。ゴムはつまりズボンのウェスト ゴムなどのことで、広げることができれば、あとは自 動的に閉まる。

6 おわりに

メカトロニクス技術が進歩し、人間と人工物の協業 パフォーマンスは向上している。しかしながら、技術 があるがゆえに、人間のスキルを低く見積りすぎて失 敗システムとなることがしばしばある。

本稿では、人間にもスキル負担を与えることで、技 術もスキルも中庸でありながら協業パフォーマンスが 高くなるような設計目標を達成する、という設計手法 のスキルトロニクスを提案した。

また、ジャグリングの道具を例にして、その設計の 様子を示し、いくつかの道具について、それぞれの要 求スキルと、そのテクノロジについて分析した。

スキルトロニクスなデザイン過程で、定性的な評価 を行うため ST 平面を提案した。ST 平面を用いること によって、技術とスキルに関するいくつかの直観的事 例を説明できることを示した。さらに、協業効果を p として、ST-p の３変数関係を２次元の多様体曲面とし てとらえ、それらの切断面を考えることで、目的達成 の困難性原因の理解に役立つ可能性を示した。

今後、スキルサイエンスで開発されてきた様々な手 法を活かし、定量的に獲得表現する手法を構築するこ と、実応用に活かしていくこと、が課題である。また、 非定型的な p の曲面を表現する方法を検討する必要が ある。

参考文献

[加藤08] 加藤 寛一郎：まさかの墜落,大和書房(2008) [古川05] 古川 康一,植野 研,ほか：身体知研究の潮流―身

体知の解明に向けて_,人工知能学会論文誌, Vol. 20, No. 2, pp. 117–128 (2005)

[古川07] 古川 康一：スキルサイエンスの展望,第21回人工 知能学会全国大会, pp. 1H3–7 (2007)

[佐々木94] 佐々木 正人：アフォーダンス：新しい認知の理 論,岩波書店(1994)

[生田87] 生田 久美子：「わざ」から知る, 東京大学出版会 (1987)

[^西野07] 西野 順二：このへんファジィ制御_,第₂₃回ファジィ システムシンポジウム講演論文集, pp. 98–101 (2007) [西野08] 西野順二：スキルトロニクスな道具のデザイン,第

22回人工知能学会全国大会, pp. 1B2–9 (2008)

身体運動時の姿勢変化の分節化によるスキル熟達支援

Skill Learning-support by segmentation of posture change

西山武繁

1

諏訪正樹

2,

Takeshige Nishiyama

, Masaki Suwa

1

慶應義塾大学大学院政策・メディア研究科

1

Graduate School of Media and Governance, Keio University

2

慶應義塾大学環境情報学部

2

The Faculty of Environment and Information Studies, Keio University

Abstract: Deep investigation and exploration about how to move body in performing a skill is crucially important for athletes. Meta-cognitive verbalization is one method for doing that. Recent studies on meta-cognition (e.g. [2]), although having shown its effectiveness in acquiring embodied skills, have pointed out the necessity of supportive environments and methodologies for athletes to continue meta-cognitive activities and get inspired for new discovery. Visualization of body movements and its quick feedback to athletes seem to be significant for that support. This study presents a supportive software environment in which athletes are able to easily interpret how his or her body posture changed during one trial of performance, e.g. batting swing in baseball, and compare multiple trials. Rough segmentation of body posture along the time frame is the key idea, enabling easy interpretation of one’s own posture by athletes and promoting meta-cognition. Simply representing body by five triangles and representing body posture by relationships of those triangles are the basis for that rough segmentation.

はじめに:能々吟味するために

宮本武蔵の代表的な著作として知られる五輪書に

「能々吟味すべし」という記述がある_[1].武蔵は具体 的 な 刀 筋 な ど に つ い て 述 べ た 後_,こ の 一 文 を 用 い て 読み手に記述内容を深く考察することを促している_. 剣 術 以 外 の ス キ ル の 熟 達 過 程 に お い て も_,競 技 者 は 上 級 者 の 模 倣 を 行 う だ け で は な く_,自 ら の パ フ ォ ー マンスを「能々吟味する」ことが極めて重要である_.

競技者がパフォーマンスを「能々吟味する」ため の方法の₁つとして_,メタ認知的言語化を挙げること が 出 来 る_.身 体 運 動 ス キ ル 獲 得 過 程 に お け る メ タ 認 知的 言 語 化は_,身体 や 環 境_,身 体と 環 境 との 関 係か ら ス キ ル に 関 す る 新 た な 変 数 の 発 見 を 可 能 に し_,変 数 間の関係性への気付きがスキルの熟達に影響を及ぼ す[2].メタ 認知 的言 語化 は,ア クテ ィブ な内 部観測 を 続 け る こ と に よ っ て_,そ れ ま で 意 識 し て い な か っ た 体感や身体と環境のインタラクションの中から変数 を発見し_,言 語化する 特殊な方 法である_.そのため_,メ タ認知的言語化を継続することが容易な環境を作り 上げることは重要な課題となる_.

本 研 究 で は_,競 技 者 の パ フ ォ ー マ ン ス 中 の 姿 勢 変 化 を 分 節 化 し_,新 た な 変 数 発 見 を 促 す た め の ア プ リ

ケーション「カラーバー」開発し_,野球の素振りをド メ イ ン と し て ケ ー ス ス タ デ ィ に 取 り 組 ん だ_.本 稿 で は_,ま ず 運 動 計 測 か ら 被 験 者 に フ ィ ー ド バ ッ ク と し て 与 え る カ ラ ー バ ー の 生 成 ま で の 手 続 き を 記 し_,カ ラーバーによる姿勢変化の可視化がスキル学習プロ セスをどのように支援できるかについて論ずる．

姿勢変化の分節化

運動計測

素振りの計測には光学式モーションキャプチャシス テ ム(Motion Analysis ^{社 製} MAC3Dsystem)^{を 用 い} た_.12 台のカメラを使用し_,フレームレートは _240Hz に設定した_.被験者の身体に ₁₂ 点の反射マーカーを 装着し_,図₁ に示す計₁₃箇所の位置情報を獲得した (左 右 の 上 前 腸 骨 棘 の マ ー カ ー 間 の 中 点 を 算 出 し た ため_,実際のマーカー数よりも₁ 点多い₁₃箇所とな る).

図_1:計測により位置情報を獲得した部位 一回の計測では_,約 _30~40 本の素振りを実施した_.被 験 者 は 素 振 り の 各 試 行 間 に_,直 前 の 素 振 り の 評 価 と 以降の素振りで意識すべきことをメタ認知的に書き 下した_.

K-means 法を用いた姿勢変化の分節化

獲得した 13 箇所の位置情報に基づき,試行中の各 フレームにおける被験者の姿勢を図₁に示す₅面の 三角形を用 いて表現 した_.面は それぞれ 体幹_,上肢_,下 肢 を 表 す_.体 幹 の 面 は 左 右 の 肩 峰 と 左 右 の 大 転 子 の 中点_,上肢の面は肩峰・肘関節・手関節_,下肢の面は大 転子・膝関節・足間接で構成した_.そして_,各三角形の 形₍体 幹の 三角 形 は面 積_,それ 以外 の 四肢 の三 角形 は 肘 や 膝 な ど の 主 要 な 関 節 の 角 度₎と 各 三 角 形 の 法 線 ベクトル同士の内積からなる ₁₅ 次元ベクトルによ って 姿 勢 を表 し た_.計 測 後_,被 験者 が 選 択し た 試行 の 計測データを上述の ₁₅ 次元ベクトルの時系列デー タ に 変 換 し_,そ れ ら 全 て の デ ー タ を 対 象 と し て K-means法を用いて類似する成分をもつベクトル_,つ ま り 類 似 す る 姿 勢 ご と に デ ー タ を 分 類 し た_.ク ラ ス タ リ ン グ 後 の デ ー タ を 再 び 元 の 時 系 列 に 配 置 し_,試 行中の被験者の姿勢変化をクラスタ名の記号列で表 現した_.

カラーバーによる姿勢変化の表現

クラスタ名ごとに色を割り当てることで試行中の 姿勢 変 化 を色 の 変 化に よ っ て表 現 し た_.さ らに_,試 行 間の比較を可能にするために各試行を左足の着地し た 時 点 を 基 準 と し て 並 べ た_.本 研 究 で は こ の 姿 勢 変 化を表現する色の配列をカラーバーと呼称する_.図₂ に₂₀₀₈年₆月₁₈日に計測したデータの中から被験 者が可視化を希望した ₁₆ 試行のデータから生成さ れたカラーバーを示す_.

図2の中に示す離地や着地などのイベントは左足 関節に取り付けたマーカーの鉛直方向の高さに閾値 を設 け_,マ ー カ ーが 閾 値 を上 回 っ た時 点 を 離地_,再 び

閾値を下回った時点を着地として定義した_.

図_2:6月₁₈日の計測データから作成したカラーバー

メタ認知とカラーバー

計測終了直後に被験者が選択した試行のカラーバ ー を 生 成 し_,す ぐ 被 験 者 フ ィ ー ド バ ッ ク す る こ と で メタ認知的言語化を支援することを試みた_.

カラーバーが被験者のメタ認知的思考に何を与え られるか？ 被験者は自分の打撃フォームがどうで あったのかを知りたい．つまり提示されたカラーバ ーを意味解釈することで自らのメタ認知を活性化さ せたいわけである．そのために_,このような可視化が 被 験 者 に 何 を 与 え ら れ る か に つ い て_,毎 回 の 実 験 で 実践しながら実験者と被験者で議論・模索を繰り返 し_,現 在 ま で の と こ ろ 以 下 の よ う な ３ 種 類 の 効 用 が あることが判明している．

1. 毎 回 試 行 間 に 行 う メ タ 認 知 で 意 識 し た こ と が 次 の 素 振 り 試 行 で ど の よ う に 反 映 で き た か を チェックするために利用する

2. 新しい変数や注目箇所に気付く

3. 一日の試行間での安定性を解釈する（将来的に は_,過去 の素 振り と その 日の 素 振り の比 較に よ る長期的安定性も見ることができる）

例を以下に挙げる．図２（１６試行のカラーバー が横に並んだもの）の左から８番目のカラーバーを 見て欲しい．素振りの前半部分（左足を上げる直前 のスタンスの部分）の色が,８番目のバーから色が変 わっている（それまでは紺であるが_,８番目から後の 素振りでは赤になっている）．この試行のひとつ前の

素 振 り を 終 わ っ た 時 点 で_,被 験 者 は ス タ ン ス で 膝 が 曲がり過ぎていることに気付き_,「次からは少し膝の 曲げを少なくして立とう」と書いている．ビデオを 見ても非常に微妙な程度の小さなスタンス修正であ っ た が_,カ ラ ー バ ー で は そ の 違 い が 如 実 に 表 現 で き ている．被験者にとってみると_,自分が意識して修正 したことがきちんとフォームに現れているかをチェ ックすることは重要である．

その日の素振りの各試行がすべて全く同じ姿勢変 化 で 行 わ れ た と し た ら_,複 数 の カ ラ ー バ ー を 着 地 で 揃 え た 図 ２ に は_,完 全 に 平 行 な 横 縞 が 出 現 す る は ず である．しかし通常は_,色が変わるタイミングの試行 間 で の 差 に 応 じ て_,色 の 変 わ り 目 の 横 線 が 段 々 状 に なって現れる．図２をみると_,着地後の姿勢変化はほ と ん ど 各 試 行 で 安 定 し て い る が_,足 を 大 き く 上 げ て いる最中（いわゆるバックスウィングの時）はそれ に比して安定性が少ないことが見て取れる．

し か し 図 ２ の 場 合 は,色 の 変 わ る 順 番 は す べ て の 試行で全く同じである．被験者の打撃フォームは１ 年 半 以 上 固 定 し て き た も の で あ り,あ る 程 度 の 安 定 性が既に獲得されていることを示している．それに 比べて図３を参照されたい．被験者はこれまでのフ ォ ー ム に 限 界 を 感 じ 始 め て お り_,７ 月 初 旬 に フ ォ ー ム改造に着手した．図３は₂₀₀₈年₇月₂日（フォー ム改造を模索し始めた直後）の素振り実験で３０試 行（スウィング）したうちの１４試行を選択して作 成したカラーバーである．

図_3:7月₂日の計測データから作成したカラーバー 着 地 の 少 し 前 の 時 間 帯 で_,１ ４ 試 行 の 前 半 と 後 半

で色が異なることが観察できる（１４試行分が同じ 色で横に貫かれていない）．左足の離地から着地から 間で の 各 色の 長 さ も_,図 ２に 比 べ ると_,試行 間 で明 ら かに差が大きい．フォーム改造直後であるため_,スウ ィングが全く不安定であることを示すものと解釈で きる．

熟 達 の 過 程 に お い て 試 行 の 安 定 性 は,学 習 者 本 人 だけでなくコーチにとっても重要な情報である．上 記に示すように_,カラーバーの比較（一日の試行間だ けでなく_,複数実験日の試行の比較も含む）はその情 報を明確に可視化するものとして有効である．

カ ラ ー バ ー の 複 数 試 行 間 比 較 で は な く_,カ ラ ー バ ー を 単 体 に 詳 細 に 解 釈 し よ う と す る と_,複 雑 な 身 体 運 動 を 分 節 化 し た も の で あ る 以 上_,単 体 で は な か な か困 難 で ある_.そこ で_,計 測 時 に撮 影 し た映 像 と併 せ て 観 察 す る こ と で_,カ ラ ー バ ー と 試 行 と の 対 応 付 け が 可 能 と な り_,メ タ 認 知 的 言 語 化 を 促 進 さ せ る こ と が出 来 る と考 え ら れる.現在,図４ に 示 すよ う な既 存 のメディアプレイヤーのスライダー部分にカラーバ ーを表示するメタ認知支援ツールの開発に取り組ん でいる（完成間近）_.

図４_:カラーバーを表示可能なメディアプレイヤー

今後の展望

本 研 究 で は_,モ ー シ ョ ン キ ャ プ チ ャ シ ス テ ム を 用 いて獲得したデータを競技者にフィードバックする ための新たな方法として_,K-means法を用いた姿勢変 化の分節化と色に姿勢変化の表現方法カラーバーの 開 発 に 取 り 組 ん だ.従 来 の モ ー シ ョ ン キ ャ プ チ ャ シ ス テ ム を 用 い た 身 体 運 動 の 解 析 は_,精 確 に 運 動 を 計 測するために計測点を増やし身体の各部位を詳細に

観 察 す る た め に 用 い ら れ て き た_.本 研 究 で 用 い た 手 法 は_,可 能 な 限 り 少 な い 計 測 点 の 情 報 か ら 複 雑 な 身 体運 動 を 分節 化 す るこ と を 可能 に し た_.さ らに_,カ ラ ー バ ー を 用 い た フ ィ ー ド バ ッ ク は_,そ の 意 味 解 釈 を 通して競技者のメタ認知を活性化させることが出来 ると 考 え られ る_.今 後 は_,フ ィ ード バ ッ ク用 の ツー ル と し て カ ラ ー バ ー の 改 良 を 継 続 す る と と も に,対 象 ド メ イ ン を よ り 複 雑 な 対 人 競 技 に も 拡 張 し_,競 技 者 が自らのパフォーマンスについて「能々吟味する」 ことを支援するためのツールの開発に取り組む_.

参考文献

[^１] 宮本武蔵: 五輪書,岩波文庫,(1985)

[^２] 諏訪正樹: 身体知獲得のツールとしてのメタ認知的

言 語 化 _, 人 工 知 能 学 会 誌 _,

Vol.20,No.5,pp.525-532(2005)

ピアノ打鍵動作 熟練技能： 重量奏法 科学的検証

Testing the feasibility of “weight play” in piano keystroke.

古屋晋一

1,2

片 寄晴弘

1

片 木 博

2

Shinichi FURUYA

, Haruhiro KATAYOSE

, and Hiroshi KINOSHITA

1

関西学院大学片 理工学研究科 JST CrestMuse

1

Kwansei Gakuin University JST CrestMuse

2

大阪大学大学院片 医学系研究科

2

Graduate School of Medicine, Osaka University

Abstract: It has been shown that exploitation of motion-dependent interaction torques is enhanced with improvement of subject’s expertise in various kinds of motor tasks involving multi-joint movements. However, it is not known whether gravitational force also learns to be effectively exploited for limb movements. The present study attacked this issue by examining the upper-limb movements and muscular activities during piano keystroke in seven expert pianists and seven novice piano players. To initiate the downswing, flexion muscular torque at the elbow that had counteracted with gravity was decreased. Associated with this, activity of the elbow extensors (agonist) occurred much earlier for the novices than the experts. Instead, the experts decreased the postural activity of elbow flexors (antagonist) before anti-gravity torque was decreased. These data indicated that the novices produced joint torque to extend the elbow joint by actively contracting its agonists, whereas the experts made it by releasing postural contraction of the antagonists to take advantage of gravitational force. These differences were noted at all levels of sound loudness. The findings strongly indicated expertise-dependent modulation of agonist-antagonist muscular synergy so as to strike the key with less muscular effort via exploiting gravitational force.

. じめに

力を利用 腕を落 鍵 を打鍵 る

いわゆる 奏法 ₂₀世紀初 ヌ゚テ教師

ダト゜゚ケンブゾ゛_[17] よ 提唱 れ 来

世界中 ヌ゚ニケダ ヌ゚テ指 者 間 演奏時

筋肉 を軽減 る打鍵技術 ある 考えら

れ _{[20] 1920 Bernstein Popova} 当

時開発 れ 高速度ィベメを用い ヌ゚ニケダ

実 力を利用 打鍵動作を行 いる を検

証 る実験を行 _[13] 打鍵動作時 肢運動を

計測 逆動力学計算を用い 肩 肘 手首関節

生 るダャェを推定 ろ 数 ヌ゚ニケダ

腕降 中 肘関節 い 力 よ 生 る

ダャェ 力ダャェ _GRA 比 筋力 よ

生 るダャェ 筋ダャェ _MUS 方 い い

う結果 得られ _{MUS GRA}より 大 い場合

力を利用 _MUS を生成 る 不可能 あ

る ら _Bernsteinら ヌ゚ニケダ 力を利

用 打鍵動作を行 いる 結論付け

MUS GRA^{より い いう け 力を利}

用 いる いう証拠 ら _MUS生成 背景

ある筋活動様式を調 る 不可欠 ある

Bernstein ^ら MUS ^{計算方法 関節間}

力学的 相互作用 相互作用ダャェ 考慮 れ

ら 適 計算方法 よる再検証 必要 ある

ら 彼ら 研究 ヌ゚ニケダ 打鍵動作 を

対象 あり 非熟練者 い 調 ら

れ い い 現在 至る ヌ゚ニ

ケダ 実 力を利用 いる れ 演

奏者 熟練度を 映 運動技能 ある い

一 知られ い い状況 ある

最近 筆者ら ヌ゚テ打鍵動作時 肢関節

関節ダャェを定 化 る逆動力学計算法を開発 [10, 11] ^{結果 ヌ゚ニケダ 初心者 比 よ}

り多く 相互作用ダャェを利用 る 肘 手

首 _MUS を軽減 いる 明ら

曓研究 一流ヌ゚ニケダ ヌ゚テ初心者 打鍵動

作時 _MUS よ 筋活動 い い 調 る

より 演奏者 熟練度 打鍵動作 ける 力

利用 関係 い 明ら る を目的

ヌ゚ニケダ 初心者 比 長時間 渡り疲

労 演奏 続ける る ら_[11]

ヌ゚ニケダ 力を効果的 利用 打鍵動作を行

り れ よ 筋肉 を軽減

いる 仮説立

. 方法

国内外 カンェヴャ い 入賞歴 あるヌ゚ニ

ケダ₇ ， よ ヌ゚テ学習歴 曑満 ヌ゚テ

初心者₇ を対象 ，右手親指 指を用い ケタ ッィヴダ アェタヴノ連打 ₃₀回 を₄段階 等 音 (p, mp, mf, f) ^{実施 手首，肘， よ}

肩関節 関節中心 運動をフグクョンコンサヴン

ィ ベ メ よ り 各 チ ャ ン ヅ ャ _150Hz り 込 ん (Figure ) ^{れら 期 ，鍵 鉛直方向運動}

を フグクョンコンサヴンィベメ より， ら

鍵 実装 力コンサヴ よ 打鍵時 鍵

加わる鉛直方向 力を 録 _[14]

ニュヴダンンア゜メヴ法 より，肘関節 運動方

程式を 出 ，逆動力学計算 よ ，肘関節

ける，_{MUS GRA}を算出 付録 参照

肘 主要 屈筋 伸筋 ある 腕 頭筋 腕

頭筋 筋活動を 表面筋電図法 より各チャンヅャ 900 Hz ^{計測 筋電 信号 全波整流を行} 後 先行研究 用いられ 計算法 より 打鍵 関 連 筋活動 発火時刻を算出 _[19]

. 結果

Figure 1 ^{ヌ゚ニケダ よ 初心者} p

f ^{音 打鍵 鍵 鉛直方向 運動}

肘 角速度 _MUS 腕 頭筋 よ 腕 頭筋

筋活動 時系列タヴタを表 筋活動タヴタ 測

定信号 対 _Hz Butterworth Low-Pass Filter を ける より Linear Envelop^を作成

Fig. 2. Time history curves of the full-wave rectified EMGs for the triceps and biceps muscles for one representative expert and novice piano players when striking the keys at forte (pink) and piano (green) dynamics. MUS after removing its contribution to counteract GRA and the elbow angular velocity are also plotted. a: initiation of arm downswing, b: moment of finger-key contact (Time=0).

Fig. 1. LED and electrode placements and definition of joint angles. The counterclockwise direction is defined as a positive direction in angular displacement, which describes flexion movement at the elbow joint.