Прогулка с кофе — малоизвестный физический подвиг

Кофе, содержащаяся в чашке термически перемешиваемая жидкость, имеет внутренние степени свободы, которые взаимодействуют с чашкой, которая, в свою очередь, взаимодействует с человеком-носителем.

«Хотя люди обладают естественной или одаренной способностью взаимодействовать со сложными объектами, наше понимание этих взаимодействий, особенно на количественном уровне, близко к нулю», — сказал профессор АГУ Ин-Ченг Лай, профессор электротехники из Университета штата Аризона. . «У нас нет сознательной способности анализировать влияние внешних факторов, таких как шум или климат, на наши взаимодействия».

Тем не менее, понимание этих внешних факторов является фундаментальной проблемой в прикладных областях, таких как мягкая робототехника.

«Например, при разработке интеллектуальных протезов становится все более важным использовать естественные режимы гибкости, которые имитируют естественные движения человеческих конечностей», — сказал Брент Уоллес, бывший студент Лая, а теперь докторант в Ире АГУ. А. Фултонские школы инженерии. «Такие улучшения делают протез более удобным и естественным для пользователя».

По словам Лая, вполне вероятно, что в недалеком будущем роботы будут развернуты в различных приложениях для управления сложными объектами или управления ими, которые потребуют такой координации и управления движением, с которой люди справляются достаточно хорошо.

Если робот предназначен для ходьбы с относительно короткой длиной шага, то допускаются относительно большие вариации в частоте ходьбы. Однако, если требуется более длинный шаг, следует тщательно выбирать частоту ходьбы.

Новая статья опубликована в Применена физическая проверка, «Синхронный переход в управлении сложными объектами, »Возникла у Уоллеса как часть его старшего дизайн-проекта в области электротехники, которым руководил Лай. Уоллес получил стипендию NSF и сейчас учится в докторантуре Школы электротехники, вычислительной техники и энергетики АГУ.

Исследование команды ASU расширяет новаторское виртуальное экспериментальное исследование, недавно проведенное учеными из Северо-Восточного университета, с использованием парадигмы держания чашки с кофе и добавления катящегося мяча для изучения того, как люди манипулируют сложным объектом. Участники намеренно вращали чашу в ритмичном режиме с возможностью изменять силу и частоту, чтобы мяч оставался удерживаемым.

Исследование Northeastern показало, что участники склонны выбирать либо низкочастотную, либо высокочастотную стратегию — ритмическое движение чашки — для обработки сложного объекта.

Замечательным открытием было то, что при использовании низкочастотной стратегии колебания проявляют синфазную синхронизацию, но противофазная синхронизация возникает при использовании высокочастотной стратегии.

«Поскольку эффективны как низкие, так и высокие частоты, вполне возможно, что некоторые участники виртуального эксперимента поменяли стратегии», — сказал Уоллес. «Это вызывает вопросы.

«Как происходит переход от синфазной синхронизации, связанной с низкочастотной стратегией, к противофазной синхронизации, связанной с высокочастотной стратегией, или наоборот», — спросил Уоллес. «В пространстве параметров является ли граница между режимами синфазной и противофазной синхронизации резкой, постепенной или сложной?»

В ходе исследования, вызванного любопытством Уоллеса, команда ASU изучала переход между синфазной и противофазной синхронизацией с использованием нелинейной динамической модели маятника, прикрепленного к движущейся тележке, подверженной внешнему периодическому воздействию.

Исследователи обнаружили, что в режиме слабого воздействия при изменении частоты внешнего возбуждения переход является резким и происходит на частоте резонанса, что можно полностью понять с помощью теории управления линейными системами.

За пределами этого режима возникает переходная область между синфазной и противофазной синхронизацией, где движения тележки и маятника не синхронизированы. Также было обнаружено наличие бистабильности в переходной области и вблизи нее на низкочастотной стороне.

Схематическая иллюстрация системы тележка-маятник для имитации обращения человека со сложным объектом, таким как чашка горячего кофе: (а) концептуальная модель шара, катящегося внутри круглой чашки и (б) нелинейная механическая модель маятник, прикрепленный к движущейся тележке, который математически описывается системой дифференциальных уравнений. Предоставлено: Брент Уоллес, Ин-Ченг Лай, Университет штата Аризона.

В целом результаты показывают, что люди могут резко и эффективно переключаться с одного синхронного аттрактора на другой — механизм, который можно использовать для разработки интеллектуальных роботов для адаптивной обработки сложных объектов в изменяющейся среде.

«Возможно, люди способны умело использовать как синфазные, так и противофазные стратегии и плавно переключаться с одной стратегии на другую, возможно, даже не осознавая этого. Результаты этого исследования могут быть использованы для реализации этих человеческих навыков в мягких роботах с приложениями в других областях, таких как реабилитация и интерфейс мозг-машина », — сказал Лай.

Кроме того, такие тривиальные задачи, как прокладка проводов в кузове автомобиля на сборочной линии, которые люди выполняют с легкостью, по-прежнему ускользают от самых передовых машин.

«Систематическое количественное понимание того, как люди динамически взаимодействуют с окружающей средой, навсегда изменит то, как мы проектируем наш мир, и может произвести революцию в дизайне интеллектуальных протезов и открыть новую эру производства и автоматизации», — сказал Уоллес. «Подражая динамически благоприятному поведению людей при обращении со сложными объектами, мы сможем автоматизировать процессы, которые ранее считались невозможными».