Marcher avec du café est un acte physique incompréhensible

Illustration schématique d’un système de pendule de chariot pour simuler la manipulation humaine d’un objet complexe, tel qu’une tasse de café chaud : (a) un modèle conceptuel d’une balle roulant à l’intérieur d’une tasse circulaire et (b) un modèle mécanique non linéaire d’un pendule attaché à un chariot mobile, qui est mathématiquement décrit par un ensemble d’équations différentielles. Crédit : Brent Wallace, Ying-Cheng Lai, Université d’État de l’Arizona

Une promenade café est quelque chose que la plupart d’entre nous faisons tous les jours sans penser à l’équilibre qu’il faut. En fait, il y a beaucoup de physique qui empêche le café de s’échapper.


Le café, un liquide thermiquement irritant dans la tasse, a des degrés de liberté internes qui interagissent avec la tasse et qui à leur tour interagissent avec le porteur humain.

“Alors que les humains ont une capacité naturelle ou surdouée à interagir avec des objets complexes, notre compréhension de ces interactions, en particulier au niveau quantique, est proche de zéro”, a déclaré Ying-Cheng Lai, professeur à l’Arizona State University, professeur de génie électrique à l’Arizona State. Université. . “Nous n’avons pas la capacité consciente d’analyser les effets de facteurs externes, tels que le bruit ou le climat, sur nos interactions.”

Cependant, la compréhension de ces externalités est un problème fondamental dans des domaines appliqués tels que la robotique douce.

“Par exemple, dans la conception de prothèses intelligentes, il devient de plus en plus important de créer des modèles naturels de flexibilité qui imitent le mouvement naturel des membres humains”, a déclaré Brent Wallace, un ancien étudiant de premier cycle à Lai’s qui est maintenant doctorant en Arizona. Université d’État. une. Collèges d’ingénierie de Fulton. “Ces améliorations rendent la prothèse plus confortable et naturelle pour l’utilisateur.”

Selon Lai, il est concevable que dans un avenir pas trop lointain, des robots soient déployés dans diverses applications pour livrer ou contrôler des objets complexes qui nécessitent le type de coordination et de contrôle des mouvements que les humains font bien.

Si le robot est conçu pour marcher avec une foulée relativement courte, des différences de rythme de marche relativement importantes sont autorisées. Cependant, si vous souhaitez faire un pas plus long, la fréquence de marche doit être choisie avec soin.

Un nouvel article a été publié dans Examen physique appliqué, “Transition simultanée dans le contrôle d’objets complexesJ’ai grandi avec Wallace dans le cadre de son premier projet de conception en génie électrique, supervisé par Lai. Wallace a reçu une bourse d’études supérieures de la NSF et est maintenant doctorant à la School of Electrical, Computer and Energy Engineering de l’Arizona State University.

Les recherches de l’équipe de l’Arizona State University s’étendent sur une étude pilote hypothétique révolutionnaire récemment menée par des chercheurs de la Northeastern University, en utilisant un modèle consistant à tenir une tasse de café et à ajouter une boule roulante, pour examiner comment les humains manipulent un objet complexe. Les participants ont délibérément tourné la tasse de manière rythmique avec la possibilité de varier la force et la fréquence pour s’assurer que la balle reste contenue.

L’étude Northeastern a montré que les participants ont tendance à choisir une fréquence faible ou élevée stratégie– Mouvement rythmique de la tasse – pour traiter un objet complexe.

Une découverte frappante est que lors de l’utilisation de la stratégie basse fréquence, les oscillations apparaissent en synchronisation de phase, mais la synchronisation anti-phase se produit lors de l’utilisation de la stratégie haute fréquence.

“Parce que les basses et les hautes fréquences sont efficaces, il est concevable que certains participants à l’expérience hypothétique aient changé de stratégie”, a déclaré Wallace. « Cela soulève des questions.

“Comment se produit la transition de la synchronisation de phase associée à une stratégie basse fréquence à la synchronisation antiphase associée à une stratégie haute fréquence, ou vice versa”, a demandé Wallace. “Dans l’espace des paramètres, les frontières entre les systèmes de synchronisation de phase et d’anti-synchronisation de phase sont-elles nettes, graduelles ou complexes ?”

L’équipe de recherche de l’Arizona State University, motivée par la curiosité de Wallace, a étudié la transition entre la synchronisation de phase et la synchronisation d’antiphase à l’aide d’un modèle dynamique non linéaire d’un pendule attaché à un chariot mobile soumis à une influence périodique externe.

Les chercheurs ont découvert que dans le système à faible influence, en raison de la variation de la fréquence d’entraînement externe, la transition est abrupte et se produit à la fréquence de résonance, ce qui peut être pleinement compris en utilisant la théorie du contrôle des systèmes linéaires.

En dehors de ce système, apparaît une zone de transition entre synchronisation de phase et synchronisation de compteur, dans laquelle les mouvements du chariot et du pendule ne sont pas synchronisés. Il a également été constaté qu’il existe une stabilité dans et à proximité de la région de transition du côté des basses fréquences.

Dans l’ensemble, les résultats suggèrent que les humains sont capables de passer brusquement et efficacement d’un attracteur synchrone à un autre, un mécanisme qui peut être exploité pour concevoir des robots intelligents capables de gérer de manière adaptative des objets complexes dans un environnement changeant.

“Il est possible que les humains soient capables d’utiliser à la fois des stratégies phasées et antiphasiques de manière subtile et de passer d’une stratégie à une autre de manière transparente, peut-être même sans s’en rendre compte. Les résultats de cette étude peuvent être utilisés pour mettre en œuvre ces compétences humaines en robotique douce avec des applications dans d’autres domaines, comme la rééducation et l’interaction entre le cerveau et la machine.

De plus, des tâches aussi simples que faire passer des câbles dans la carrosserie d’une voiture sur une chaîne de montage – ce que les humains font facilement – sont encore loin d’être des machines plus avancées.

« Une compréhension quantitative systématique de la façon dont les humains interagissent dynamiquement avec leur environnement changera à jamais la façon dont nous concevons notre monde et pourrait révolutionner la conception de prothèses intelligentes et ouvrir une nouvelle ère de fabrication et d’automatisation », a déclaré Wallace. “En simulant dynamiquement les comportements favorables que les humains adoptent face à des choses complexes, nous pourrons automatiser des processus que l’on croyait auparavant impossibles.”


Les transitoires et les synchronisations sont standardisés dans les réseaux écologiques


Plus d’information:
Brent Wallace et al., Transition simultanée dans le contrôle d’objets complexes, Examen physique appliqué (2021). DOI : 10.1103/PhysRevApplied.16.034012

la citationWalking with Coffee: An Incomprehensible Work in Physics (2021, 7 septembre) Extrait le 7 septembre 2021 de https://phys.org/news/2021-09-coffee-little-understood-feat-physics.html

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