Digital Nature Group

Digital Nature Group University of Tsukuba, Digital Nature Group
Research and Development Center for Digital Nature

本研究室は，ユビキタスコンピューティングの後に訪れる，計算機自然(デジタルネイチャー)に向けて，人と機械，物質性と実質性の間で，計算機応用のもたらす様々な選択肢を想定し，工学的に実装することで，産業・学問・芸術に至る様々な問題解決に挑戦し，新たな文化的価値の創成を目指します．

02/06/2026

Research spotlight 2016｜Stimulated Percussions

Evaluating multi-muscle body movements for EMS-based percussion performance
EMS（電気筋肉刺激）を用いた体の各部位の動き評価と打楽器演奏への応用手法

Existing EMS-based musical instrument studies have focused on movements of the human body for playing one specific instrument requiring whole-body movement, without evaluating or applying movements across different muscle groups. To address this, we propose Stimulated Percussions, a method that uses EMS to evaluate body movements associated with different muscles, sets individual rhythms to these movements, and investigates which instruments can be played using these rhythms. This design method expands the possibilities for untrained people to play musical instruments and demonstrates potential for supporting musical performance.

既存のEMSを用いた楽器演奏研究は、体全体の動きを必要とする特定の１つの楽器の演奏に焦点を当てており、複数の筋肉部位の動きを評価・応用するアプローチは行われてきませんでした。この課題に対して、本研究ではEMSを用いて体の各部分の動きを評価し、それぞれにリズムを刻むよう信号を与え、各動きがどの打楽器の演奏に適用可能かを調査する手法「Stimulated Percussions」を提案しました。訓練を受けていない人々が楽器を演奏できるようになる可能性を拡張し、楽器演奏を助けるデザイン手法としての応用を示します。

Project Page:
https://digitalnature.slis.tsukuba.ac.jp/2016/10/stimulated-percussions-2/

Movie:
SIGAsia2016 https://youtu.be/j4mQZJy9pRo
SIGGRAPH2018 https://youtu.be/DzOUvWwjDo4?si=2rAG90CE78T5mv2k

02/06/2026

Research spotlight 2016｜Syringe-worked Mermaid

Computational design and underwater position control of 3D-fabricated Cartesian divers via PD control
最適化計算・3Dプリンタ・PD制御を統合した浮沈子のコンピュテーショナル設計と水中位置制御

Conventional Cartesian diver experiments have relied on simple objects such as condiment bottles with nuts, without enabling arbitrary shape fabrication or digital position control. To address this, we computationally integrate the design and operation of Cartesian divers using optimization calculations and a 3D printer, enabling fabrication of divers of arbitrary shape. A motor-driven syringe pump controlled by computer replaces manual pressure on the container, and combined with webcam-based position feedback and PD control, stabilizes the position of the Cartesian diver in water. This demonstrates digital control of real objects suspended mid-water without actuators such as fins, motors, or water-jets.

既存のEMSを用いた楽器演奏研究は、体全体の動きを必要とする特定の１つの楽器の演奏に焦点を当てており、複数の筋肉部位の動きを評価・応用するアプローチは行われてきませんでした。この課題に対して、本研究ではEMSを用いて体の各部分の動きを評価し、それぞれにリズムを刻むよう信号を与え、各動きがどの打楽器の演奏に適用可能かを調査する手法「Stimulated Percussions」を提案しました。訓練を受けていない人々が楽器を演奏できるようになる可能性を拡張し、楽器演奏を助けるデザイン手法としての応用を示します。

Project Page:
https://digitalnature.slis.tsukuba.ac.jp/2016/10/syringe-worked-mermaid/

01/06/2026

Research spotlight 2016｜Holographic Whisper

Holographic Whisper: Three-dimensional spatial audio rendering via ultrasonic phased array focal point generation
超音波フェーズドアレイを用いた三次元空間音響レンダリング手法

Conventional superdirectional (sound-beam) loudspeakers deliver sound not only to the intended target but also to others along the same line of projection. To address this, we propose a method that employs an ultrasonic phased array as a holographic acoustic generator to focus ultrasound at arbitrary three-dimensional positions. The sound pressure at the ultrasonic focal points is sufficiently high to radiate audible sound based on the self-demodulation effect in air, causing the focal points to act as audible sound sources. This point sound source method enables more flexible and precise control of aerial audio distributions compared to conventional superdirectional loudspeakers, with sound sources that can be freely generated and vanished in air, enabling delivery of private messages or music to individuals.

従来の超指向性（サウンドビーム）スピーカーは、狙った人物と同一直線上にいる人物にも音が届いてしまうという課題がありました。この課題に対して、本研究では超音波フェーズドアレイをホログラフィック音響発生器として用い、任意の三次元位置に超音波焦点を形成する手法を提案しました。焦点での音圧は空気中の自己復調効果により可聴音を放射するのに十分であり、超音波焦点が点音源として機能します。この点音源手法により、従来の超指向性スピーカーと比較して空中の音響分布をより柔軟かつ精密に制御でき、点音源の生成・消滅を空中で自在に行うことが可能です。個人へのプライベートメッセージや音楽の配信への応用が期待されます。

Project Page:
https://digitalnature.slis.tsukuba.ac.jp/2016/08/holographic_whisper/

Movie:
https://youtu.be/-uKMTwxZUXw?si=i2CdvZvPi2fTBNBX

01/06/2026

Research spotlight 2016｜Gushed Light Field

Gushed Light Field: Design method for a compact, lightweight, wind-resistant aerosol-based fog display
エアロゾルスプレーを用いた小型・軽量・高風耐性フォグディスプレイ「Gushed Light Field」の設計手法

Conventional fog screens rely on fog generators that occupy large areas and are easily affected by air flow, with little attention given to weight, response time, or wind resistance. To address this, we propose Gushed Light Field, an aerosol-based fog display system using off-the-shelf sprays that introduces new tradeoffs between display time and payload. The minimum system weight is approximately 600 g, with a screen raise time of approximately 0.5 s, disappearance time of approximately 0.4 s, and a maximum wind speed of approximately 10 m/s for image projection. Prototypes were presented for wearable applications, aerial imaging with drones and radio-controlled cars, multi-viewpoint display, and environment-embedded displays, contributing to the exploration of new application areas for fog displays.

従来のフォグスクリーンはフォグマシンを用いており、装置が大型で気流の影響を受けやすく、重量・レスポンス・風耐性が重視されてきませんでした。この課題に対して、市販のエアロゾルスプレーの噴出物をフォグスクリーンとして利用し、投影時間・面積と重量・レスポンスのトレードオフを新たに設定することで、軽量・高レスポンス・高風耐性を両立したフォグディスプレイシステム「Gushed Light Field」を提案しました。最小構成では重量約600g、スクリーン出現約0.5秒、消滅約0.4秒、映像投影可能な最大風速約10m/sを達成しました。ウェアラブル、ドローン・ラジコンカーへの搭載、多視点ディスプレイ、環境埋め込みディスプレイ等のプロトタイプを実装し、フォグディスプレイの新たな応用領域の探索に貢献します。

Project Page:
https://digitalnature.slis.tsukuba.ac.jp/2016/08/glf/

Movie:
https://youtu.be/LOpch4XHDJc?si=FDPycAQQVMjWM6sO

29/05/2026

Research spotlight 2016｜Human Coded Orchestra

Human Coded Orchestra: Improvised group vocal harmony via computed spatial distribution of directional speakers
指向性スピーカーによる音階空間分布制御を用いた即興集団合唱システム

Previous work on improvised group musical performance — in both scientific and artistic contexts — has rarely gone beyond simple rhythm-based music and failed to achieve musical complexity. To address this, we present Human Coded Orchestra, an installation employing a number of directional speakers, each set at a different pitch, delivering different pitches to each participant according to their position, controlled by computer. No preparation is required on the part of singers, who simply imitate the pitch they hear. Experiments confirmed that participants could sing in harmony with minimal practice, with many reporting positive responses, demonstrating the possibility of practical application in the interactive performance area.

即興の集団音楽パフォーマンスに関する研究はアート・サイエンス両分野で行われてきましたが、簡単なメロディーを超えた複雑な音楽の実現は行われてきませんでした。この課題に対して、複数の指向性スピーカーをそれぞれ違う方向に向け別の高さの音を発し、コンピューターで音階の空間分布を制御することで、集団が即興で複雑なハーモニーを歌える装置「Human Coded Orchestra」を提案しました。利用者側での準備はほとんど不要であり、スピーカーの前に立った人々が聞こえる音を真似するだけで複雑なハーモニーが実現します。実験では最小限の練習で被験者がハーモニーを奏でて歌うことができ、多くがポジティブな感想を報告しました。インタラクティブパフォーマンス分野への実用的な応用の可能性を示します。

Project Page:
https://digitalnature.slis.tsukuba.ac.jp/2016/07/human-coded-orchestra/

Movie:
https://youtu.be/RbZCMfQ2fUg?si=-Qrdy1TARPBNYtnM

29/05/2026

Research spotlight 2016｜Optical Marionette

Subconscious control of pedestrian walking direction via visual illusion on a see-through HMD
視覚的錯覚を用いたシースルー型HMDによる歩行方向の無意識的制御手法

Existing navigation systems have maintained the same paradigm for 30 years — presenting directional information for users to consciously recognize and follow — placing cognitive load on users when spatial mapping between the interface and self-localization fails. To address this, we present Optical Marionette, a novel manipulation method that subconsciously changes the walking direction of users via visual processing on a head mounted display. Using a stereo camera and HMD, the system provides real-time visual stimuli through image processing while users walk, controlling their walking direction without conscious awareness. Two image-processing methods were examined — moving stripe pattern and changing focal region — with the changing focal region method most effectively changing walking path by approximately 200 mm/m on average.

既存のナビゲーションシステムは「指示情報を提示し、人が認識する」という構造を30年間維持しており、マップや矢印の空間と自己位置認識の適応困難がユーザに負荷をかけるという課題があります。この課題に対して、本研究では視覚的錯覚を用いてナビゲーションシステムから提示された情報を意識的に見なくても歩行者を制御可能にする新しい手法「Optical Marionette」を提案しました。カメラとHMDを用い、ユーザが歩行中にシステムがカメラ映像に画像処理を行うことでリアルタイムな視覚的フィードバックを与え、歩行方向を無意識的にコントロールします。moving stripe patternとchanging focal regionの2つの画像処理手法を検討し、changing focal region手法が平均約200 mm/mの歩行経路変化をもたらし最も効果的であることを示しました。

Project page:
https://digitalnature.slis.tsukuba.ac.jp/2016/06/moh/

Movie:
https://youtu.be/8XAVv4v0Qt8?si=Fc1ct0gPg01iCPoc
https://youtu.be/k_Sq4YRRe4I?si=QOAjU1_k_eyv1S5q

07/05/2026

研究紹介2016｜Coded Skeleton

Coded Skeleton: A design method for shape-changing UI integrating actuators and sensors via mechanical metamaterial
機械的メタマテリアルによるアクチュエータ・センサ統合型形状変更UIの設計手法

Realizing shape-changing user interfaces requires unified integration of actuators and sensors and the ability to uniquely define deformation. To address this, we propose a design method for fabricating ""Coded Skeleton"", a novel shape-changing user interface that computationally integrates actuators and sensors using a mechanical metamaterial. Leveraging the fact that the Coded Skeleton is flexible in one deformation mode but stiff in others, the method realizes various curve deformations using simple expansion and contraction actuators. We describe the design method, structural analysis of the mechanical metamaterial, and the creation and control method of the Coded Skeleton, along with three proposed applications.

形状変更ユーザインタフェースの実現には、アクチュエータとセンサの統合および変形の一意な定義が課題となっています。この課題に対して、本研究では機械的メタマテリアルを用いてアクチュエータとセンサを計算により統合することで、「Coded Skeleton」と呼ばれる新しい形状変更ユーザインタフェースを製作するための設計方法を提案しました。Coded Skeletonは一方の変形モードでは柔軟であるが他方では硬いという性質を利用し、単純化された伸縮アクチュエータによりさまざまな曲線の変形を実現します。設計方法と機械的メタマテリアルの構造解析、Coded Skeletonの作成および制御方法を概説するとともに、3つのアプリケーションを提案します。

Project Page:
https://digitalnature.slis.tsukuba.ac.jp/2016/06/coded-skeleton/

Movie:
https://youtu.be/lcRVH2z9z1I?si=Ewe78LxhL5cDHg5l
https://youtu.be/CnaJr2WVjKE?si=cX3QV0xxln7GZAG2

01/05/2026

研究紹介2016｜Cross-Field Haptics

Cross-Field Haptics: A haptic texture display combining magnetic and electrostatic fields
磁場と静電場の複合による触覚テクスチャ提示デバイスの提案

Conventional research on haptic textures relies on a single physical quantity for rendering. Representing texture in the real world remains difficult, despite its importance in fabrication and manufacture across many industries. To address this, we propose a system that physically deforms and changes the physical force between the finger and the device by combining magnetic and electrostatic fields. The device integrates ferrofluid — a flexible liquid driven by the magnetic field — and electrovibration with adsorption force from the electrostatic field.

従来の触覚テクスチャ研究では、単一の物理量のみを用いたレンダリングが行われてきました。現実世界でのテクスチャ変更は困難であり、触覚フィードバックによるテクスチャおよびアフォーダンスの提示が求められています。この課題に対して、本研究では磁場と静電場を組み合わせることで、指とデバイス間の物理的な力を変形・変化させるシステムを提案しました。磁場による柔軟な液体であるフェロ流体と、静電場による吸着力を伴う電気振動を組み合わせることで、Cross-Field Hapticsデバイスを実現します。

Project Page:
https://digitalnature.slis.tsukuba.ac.jp/2016/06/cross-field-haptics/

Movie:
https://youtu.be/BB9gjtYMHyc?si=ZQcIt7coIJuJPj00

30/04/2026

研究紹介2016｜Cross Field Aerial Haptics

Cross Field Aerial Haptics: A method for aerial haptic rendering using combined laser and acoustic fields
レーザーと超音波の複合フィールドによる空中触覚提示の手法

Conventional aerial haptic research has rendered haptic images using a single physical quantity — either light or acoustic fields. To address this limitation, we present Cross Field Aerial Haptics, a method that combines femtosecond-laser light fields and ultrasonic acoustic fields simultaneously. While these fields have no direct interference, their combination provides multi-resolution haptic images and a synergistic effect on haptic perception. User studies with laser haptics and ultrasonic haptics separately, and their superposition, demonstrated that the acoustic field affects the tactile perception of laser haptics. We further explored AR/VR applications, contributing to the exploration of laser haptic displays and expanding the expression of aerial haptic displays based on other principles.

従来の空中触覚研究では、単一の物理量（光または音響場）のみを用いた触覚画像レンダリングが行われてきました。この制約に対して、本研究ではフェムト秒レーザー光フィールドと超音波音響フィールドを同時に組み合わせるCross Field Aerial Hapticsを提案しました。両フィールドは直接の干渉を持たない一方、複合することで多解像度触覚画像の提示および触覚知覚への相乗効果が得られます。レーザー触覚・超音波触覚それぞれのユーザスタディおよびその重ね合わせ実験を実施し、音響フィールドがレーザー触覚の触知覚に影響を与えることを示しました。さらにAR/VRへの応用を探索し、レーザー触覚ディスプレイの探求および他原理に基づく空中触覚ディスプレイの表現拡張に貢献します。

Project Page:
https://digitalnature.slis.tsukuba.ac.jp/2016/05/cross-field-aerial-haptics/

Movie:
https://youtu.be/NYpfnUc9vU8

27/04/2026

研究紹介2016｜Leaked Light Field from Everyday Material

あらゆる素材をディスプレイにする「微小穴」を用いた光線制御：素材感を活かしたまま映像を映し出す新しい表示技術

This project proposes a new light-field display that overcomes the limitations of traditional smooth materials like glass by utilizing everyday materials such as wood, grained board, or mirror. By making 100μm pinholes in the surface of the material, rays from the backlight are transmitted to enable visual display. This system allows for the integration of displays into objects with a natural appearance, preserving the material's properties while providing viewing-angle-dependent imagery.

ガラスやプラスチックに限られていたディスプレイ表面の材質を、木材や石材、鏡などへ自由に広げるプロジェクトである。光を透過しない材料を板状にし、表面に100マイクロメートルほどの小さな穴（ピンホール）を加工することで、バックライトの光を透過させ表示を実現した。物体に自然な見た目でディスプレイを埋め込むことができ、視点に応じて変化する映像提示を可能にする。素材の美しさと情報の表示を両立させるソリューションである。

Project Page:
https://digitalnature.slis.tsukuba.ac.jp/2016/03/leaked-light-field/

Movie:
https://youtu.be/UKKXEyLBd3s?si=mlYu20jEuz1vAHJI

住所

茨城県つくば市春日１−２　筑波大学
Tsukuba-shi, Ibaraki
3058550

ウェブサイト

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