Reconstructed Reality: Enabling Teleportation-Based Locomotion in Immersive Telepresence

重いヘルメットを被り、別の部屋のライブ映像を見ながら部屋の中を歩こうとしている場面を想像してみてください。ただし、その映像は2秒近く遅延しています。頭を動かしたり一歩踏み出したりするたびに、目に見える映像が実際の動きから遅れていきます。この、目が見ているものと内耳が感じる平衡感覚との不一致が、バーチャルリアリティにおけるモーションシークネス（乗り物酔い）の主な原因です。長年、この感覚の不一致は、高齢の親族の見守りや遠隔施設の点検といった、ロボットによる遠隔作業における大きな障壁となってきました。オペレーターが標準的なジョイスティックを使ってロボットを操作する場合、この遅延によって操作が鈍く感じられ、方向感覚を失わせるため、しばしば吐き気を引き起こして作業を中断せざるを得なくなります。研究者たちは、ラグによる身体的負担を感じることなく、遠隔地に「存在している」と感じさせる方法を長年模索してきました。

オウル大学の研究チームは、人々が遠隔空間を移動する方法を変えることで、この問題を解決する手法を開発しました。ロボットを車のように連続的に操縦する代わりに、彼らのシステムでは、デジタルマップ内の新しい場所に瞬時に「テレポート」することができます。ユーザーがこのデジタル空間内で移動している間、実際のロボットは自律的にその地点へと移動します。ユーザーはロボットが遅延の中で苦闘する様子を見ることがないため、ラグに伴う特有の乗り物酔いを感じることがありません。研究者たちは、このアイデアを2段階でテストしました。最初は事前に作成されたデジタルマップを使用し、次にロボットが移動しながらリアルタイムでマップを構築するシステムを使用しました。彼らの調査結果は、このテレポート方式が、ビデオ接続が遅い場合でも、乗り物酔いを大幅に軽減し、タスクの完了を早めることを示しています。

問題の核心は、人間の脳がいかに動きを処理するかという点にあります。人がヘッドセットを着用してロボットの映像を見ているとき、目は脳に対して「移動している」と伝えます。しかし、バランスを制御する内耳は、自分が静止していることを感知します。この矛盾が脳内に衝突を生じさせ、脳はそれを中毒の兆候と解釈し、吐き気やめまいを引き起こします。この問題は、360度カメラを使用して遠隔地のロボットから映像をストリーミングする場合に特に深刻になります。なぜなら、高品質なビデオは送信するために多くのデータを必要とし、それが遅延を増大させるからです。記述された実験において、ロボットの動作とユーザーの画面に映る映像の間の遅延は約1.8秒と測定されました。この速度では、ジョイスティックでロボットを操縦しようとすることはフラストレーションが溜まり、身体的にも負担が大きく、ビデオが追いついたときにロボットがどこにいるかを予測しようと苦戦するため、しばしばパフォーマンスの低下を招きます。

これに対処するため、研究者たちはVEIPE（Virtual Environment Interface to a Physical Environment：物理環境への仮想環境インターフェース）と呼ばれるシステムを導入しました。このセットアップでは、ユーザーはロボットを直接操縦しません。代わりに、ヘッドセット内で遠隔地の部屋の3D再構成モデルを見ます。このデジタルな部屋は、現実の部屋と一致するように構築されています。ユーザーが移動したいときは、デジタル空間内の床の一点を指さしてクリックします。ユーザーは仮想世界内のその場所に瞬時に現れ、ロボットは自律的にそこへ向かって走行を開始します。ロボットが距離を移動している間、ユーザーはデジタル空間内でロボットが動いている様子を見ることができますが、ユーザー自身の体は動いていないため、感覚の衝突は最小限に抑えられます。ロボットが到着すると、視界はライブ映像に切り替わり、ユーザーは現実の世界を鮮明に見ることができます。

研究者たちはまず、実験前に作成されたデジタルマップを使用して、このコンセプトのテストを行いました。参加者は、薬の瓶があるかどうかを確認したり、ゴミ箱が満杯かどうかを確認したりといった、特定の物体を見つけるためにロボットを部屋の中にナビゲートしました。参加者の半分は従来のジョイスティック方式を使用し、もう半分はテレポート方式を使用しました。結果は明白でした。テレポート方式を使用したグループは、乗り物酔いが大幅に少ないと報告しました。乗り物酔いを測定するための標準的なスケールでは、ジョイスティック・グループは激しい不快感を示す高いスコアを記録しましたが、テレポート・グループはほぼゼロに近いスコアでした。さらに、テレポート・グループは同じ時間内でより多くのナビゲーション・タスクを完了しました。彼らは精神的な疲労も少ないと報告しました。参加者は圧倒的にテレポート方式を好んでおり、多くが、もし再びロボットを操作することになったら、この方法を選びたいと述べました。

これらの結果が、単なる既製のマップによる偶然の産物ではないことを確認するため、チームはより困難な第2の調査を実施しました。今回は、移動しながら部屋をスキャンして3Dマップを構築できる特殊なカメラを備えたロボットを使用しました。これは、デジタル環境が事前に作られた完璧なコピーではなく、リアルタイムで構築されていることを意味します。タスクはより複雑で、高齢者介護のアシスタントのような現実世界のシナリオをシミュレートするために、観察チェックを行うべく、より広い空間でより長い距離を移動する必要がありました。ビデオストリームの遅延は、高品質なビデオとリアルタイム・マップの処理が必要となるため、このセットアップでは1.8秒と、わずかに高くなりました。

リアルタイムで構築されるマップという複雑さが加わった後でも、テレポート方式が優れていることが証明されました。リアルタイム・システムを使用した参加者は、ジョイスティックを使用した場合よりも有意に乗り物酔いが少なかったものの、タスクの継続時間が長かったため、全体的な乗り物酔いのスコアは最初の研究よりもわずかに高くなりました。テレポート・グループも、より多くのタスクを成功裏に完了しました。研究者たちは、ロボットが移動する時間はユーザーのルート計画能力を妨げないことを発見しました。なぜなら、ユーザーはデジタルマップ上で経路全体を見ることができ、目的地へ即座にジャンプできるからです。これにより、遅延のあるビデオ映像を通して操縦しようとするフラストレーションが解消されました。主観的なワークロード（ユーザーがどれほど大変だと感じたか）も、テレポート・グループの方が有意に低いものでした。

しかし、研究はユーザーの好に関する驚くべきニュアンスを明らかにしました。テレポート方式は健康面やパフォーマンス面では客観的に優れていましたが、参加者が一様にそれを最も好んだわけではありませんでした。第2の調査では、約3分の2の参加者のみがテレポート方式を好み、残りの参加者は依然として伝統的なジョイスティックを選択しました。研究者たちは、たとえ気分が悪くなったとしても、自分でロボットを操縦できることに強いコントロール感を感じるユーザーがいることを指摘しました。ある参加者は、テレポート方式を使用しているときに「離脱感（身体が切り離された感覚）」を感じ、ジョイスティックによる直接的なつながりを好むと述べました。これは、技術が身体的な問題である乗り物酔いを解決したとしても、心理的な直接制御への欲求が依然として考慮すべき要因であることを示唆しています。

研究者たちはまた、システムの使いやすさについても調査しました。テレポート方式はユーザビリティのスケールでわずかに高いスコアを獲得しましたが、そのスコアが圧倒的に高かったわけではありません。一部の参加者は、デジタルマップ上で選択した地点（壁や物体に近すぎる場所など）にロボットが到達できないときに、フラストレーションを感じると述べました。これは、システムが、安全なエリアに移動を制限したり、明確な経路を示したりするなど、到達可能な場所をより賢く判断できるようにする必要があることを示しています。これらの軽微なユーザビリティの問題はあるものの、データは、この手法が有効であることを裏付けています。研究者たちは、3D再構成された環境を使用してロボットをテレポートさせることは、遅延のある接続の限界を克服するための、実行可能かつ効果的な方法であると結論付けました。

この研究は、遠隔ロボティクスの未来が、必ずしも遅延を減らすための高速インターネットやより優れたカメラに依存するのではないことを示しています。むしろ、人間と機械の相互作用のあり方を変えることに依存する可能性があります。ユーザーが遅延のある旅をスキップして目的地に即座に現れることを可能にすることで、システムは乗り物酔いの原因となる感覚の衝突を取り除きます。本研究は、このアプローチが、接続が遅い場合でも、人々がより効果的かつ快適に遠隔環境をナビゲートできるという強力な証拠を提供しています。技術はまだ完璧ではありませんが、一部のユーザーが依然として直接制御の感覚を好んでいるとしても、その結果は、テレプレゼンス（遠隔存在感）システムを一般の人々が利用できるようにするための明確な道筋を示しています。愛する人を見守ったり、遠隔地を点検したりすることが、体調を崩すことなく可能になれば、私たちの手の届かない世界との関わり方は劇的に変わるでしょう。