Mersul cu cafea este un lucru puțin cunoscut al fizicii

O ilustrare schematică a sistemului de transport pendul pentru a simula manipularea umană a unui obiect complex, cum ar fi o ceașcă fierbinte de cafea: pendul atașat la un cărucior în mișcare, care este descris matematic printr-un set de ecuații diferențiale. Credit: Brent Wallace, Ying-Cheng Lai, Universitatea de Stat din Arizona

Mersul cu cafea este ceva ce facem majoritatea dintre noi în fiecare zi, fără a lua în considerare echilibrul pe care îl necesită. De fapt, există o mulțime de fizică care împiedică debordarea cafelei.


Cafeaua, un fluid amestecat termic conținut într-o ceașcă, are grade interne de libertate care interacționează cu ceașca care, la rândul ei, interacționează cu purtătorul uman.

“În timp ce oamenii posedă o abilitate naturală sau supradotată de a interacționa cu obiecte complexe, înțelegerea noastră despre aceste interacțiuni, în special la nivel cantitativ, este aproape de zero”, a declarat profesorul ASU Ying-Cheng Lai, profesor de inginerie electrică la Universitatea de Stat din Arizona. . „Nu avem abilitatea conștientă de a analiza influențele factorilor externi, precum zgomotul sau clima, asupra interacțiunilor noastre”.

Cu toate acestea, înțelegerea acestor factori externi este o problemă fundamentală în domenii aplicate, cum ar fi robotica soft.

„De exemplu, în proiectarea protezelor inteligente, devine din ce în ce mai importantă încorporarea modurilor naturale de flexibilitate care imită mișcarea naturală a membrelor umane”, a spus Brent Wallace, fost student la Lai și acum doctorand la ASU Ira. A. Școlile de inginerie Fulton. „Astfel de îmbunătățiri fac proteza mai confortabilă și mai naturală pentru utilizator.”

Potrivit lui Lai, este de conceput ca într-un viitor nu atât de îndepărtat, roboții să fie desfășurați în diverse aplicații complexe de manipulare sau control al obiectelor care necesită tipul de coordonare și control al mișcării în care oamenii sunt destul de pricepuți.

Dacă un robot este proiectat să meargă cu o lungime relativ scurtă a pasului, sunt permise variații relativ mari ale frecvenței de mers. Cu toate acestea, dacă se dorește un pas mai lung, frecvența de mers trebuie selectată cu grijă.

Un nou articol publicat în Examinare fizică aplicată, “Tranziție sincronă în controlul obiectelor complexe“, a fost creat de Wallace ca parte a proiectului său de proiectare de inginerie electrică, supravegheat de Lai. Wallace a primit o bursă absolventă de la NSF și este acum candidat la doctorat la Școala de Inginerie Electrică, Informatică și energie de la ASU.

Cercetările echipei ASU se extind pe un studiu experimental virtual inovator realizat recent de cercetătorii de la Universitatea Northeastern, folosind paradigma cupei de cafea și adăugând un trackball, pentru a examina modul în care oamenii manipulează un obiect complex. Participanții au rotit în mod deliberat cupa într-un mod ritmic, cu capacitatea de a varia forța și frecvența pentru a se asigura că mingea a rămas conținută.

Studiul din nord-est a arătat că participanții au avut tendința de a alege fie o frecvență joasă, fie o frecvență înaltă strategie—Miscarea ritmică a cupei – pentru a manipula un obiect complex.

O constatare remarcabilă este că atunci când se utilizează o strategie de frecvență joasă, oscilațiile prezintă sincronizare de fază, dar sincronizarea antifază are loc atunci când se utilizează o strategie de frecvență înaltă.

„Deoarece frecvențele joase și înalte sunt eficiente, este de conceput că unii participanți la experiența virtuală și-au schimbat strategia”, a spus Wallace. „Ridică întrebări.

“Cum are loc o tranziție de la sincronizarea fazelor asociate cu o strategie de frecvență joasă la sincronizarea antifazică asociată cu o strategie de frecvență înaltă sau invers”, a întrebat Wallace. „În spațiul parametrilor, granița dintre regimurile de sincronizare de fază și antifază este clară, progresivă sau sofisticată?

Cercetarea echipei ASU, determinată de curiozitatea lui Wallace, a investigat tranziția dintre sincronizarea fazelor și antifazelor utilizând un model dinamic neliniar al unui pendul atașat la un cărucior în mișcare supus unei forțări externe periodice.

Cercetătorii au descoperit că, în regim de forțare scăzut, atunci când variază frecvența de acționare externă, tranziția este bruscă și are loc la frecvența de rezonanță, care poate fi pe deplin înțeleasă folosind teoria sistemelor de control.

Dincolo de acest regim, apare o zonă de tranziție între sincronizarea în fază și în opoziție cu faza, unde mișcările căruciorului și pendulului nu sunt sincronizate. De asemenea, s-a constatat că există bistabilitate în și în apropierea regiunii de tranziție pe partea de joasă frecvență.

În general, rezultatele indică faptul că oamenii sunt capabili să treacă brusc și eficient de la un atractor sincron la altul, un mecanism care poate fi exploatat pentru a proiecta roboți inteligenți capabili să manipuleze în mod adaptabil obiecte complexe într-un mediu.

„Este posibil ca oamenii să fie capabili să folosească cu pricepere strategii pe etape și antifazice și să treacă de la o strategie la alta fără probleme, poate chiar fără să-și dea seama. Rezultatele acestui studiu pot fi utilizate pentru a pune în aplicare aceste abilități umane în roboți moi. cu aplicații în alte domenii, cum ar fi reabilitarea și interfața creier-mașină ”, a spus Lai.

Mai mult, sarcini la fel de banale precum trecerea cablurilor printr-o caroserie pe o linie de asamblare – pe care oamenii le îndeplinesc cu ușurință – scapă întotdeauna de cele mai avansate mașini.

„O înțelegere cantitativă sistematică a modului în care oamenii interacționează dinamic cu mediul lor va schimba pentru totdeauna modul în care ne proiectăm lumea și ar putea revoluționa designul protezelor inteligente și va introduce o nouă eră de fabricație și automatizare”, a spus Wallace. „Imitând comportamentele favorabile dinamic adoptate de oameni atunci când manipulează obiecte complexe, vom putea automatiza procese despre care se credea anterior imposibile”.


Tranzitorii și sincronizarea sunt unificate în rețelele ecologice


Mai multe informatii:
Brent Wallace și colab., Tranziție sincronă în controlul obiectelor complexe, Examinare fizică aplicată (2021). DOI: 10.1103 / PhysRevApplied.16.034012

Citat: Plimbarea cu cafeaua este o realizare fizică puțin înțeleasă (2021, 7 septembrie) recuperată pe 8 septembrie 2021 de pe https://phys.org/news/2021-09-coffee-little-underserstand-feat-physics.html

Acest document este supus dreptului de autor. Cu excepția utilizării corecte în scopuri private de studiu sau cercetare, nicio parte nu poate fi reprodusă fără permisiunea scrisă. Conținutul este furnizat doar cu titlu informativ.

READ  Cum să urmăriți joi eclipsa de soare a Inelului de Foc

Faci un comentariu sau dai un răspuns?

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *