拿着咖啡行走是一个鲜为人知的物理学壮举

亚利桑那州立大学发表在《物理评论应用》上的一篇新论文，“复杂物体控制的同步过渡”，扩展了拿咖啡杯的范式，以检验人类如何操纵复杂物体。这项研究有可能彻底改变智能假肢的设计，并将对制造业和动画产生影响。

　　

   

   

图片:一个示意图说明cart-pendulum系统来模拟人类的处理一个复杂的对象,如一杯热咖啡:(A)的概念模型球滚在一个圆形的杯子和(b)的非线性力学模型摆上一个移动的车,由一组微分方程的数学描述。

来源:布伦特·华莱士，赖应成，亚利桑那州立大学

边走边喝咖啡是我们大多数人每天都做的事情，却没有考虑到它需要怎样的平衡。事实上，有很多物理原理可以防止咖啡洒出来。

咖啡是杯中的一种热搅拌液体，它的内部自由度与杯子相互作用，而杯子又与人体载体相互作用。

亚利桑那州立大学电气工程教授赖应成说:“虽然人类天生就有与复杂物体互动的能力，但我们对这些互动的理解——尤其是在数量层面上的理解，几乎为零。”“我们没有有意识地分析外部因素(如噪音或气候)对我们互动的影响的能力。”

然而，理解这些外部因素是软件机器人等应用领域的基本问题。

“例如，在智能假肢的设计中，模仿人类肢体的自然运动，以自然的灵活性模式来建造变得越来越重要，”布伦特·华莱士(Brent Wallace)说，他曾是Lai的本科生，现在是亚利桑那州立大学Ira a . Fulton工程学院的博士生。“这些改进使假肢对用户来说更加舒适和自然。”

据Lai说，可以想象，在不太遥远的未来，机器人将被部署在复杂的物体操作或控制的各种应用中，这些应用需要人类擅长的协调和运动控制。

如果一个机器人被设计成以相对较短的步幅行走，那么行走频率的变化就会相对较大。然而，如果需要更长的步幅，那么应该仔细选择步行频率。

发表在《物理评论应用》上的一篇新论文，“复杂对象控制的同步过渡”，是由Wallace发起的，这是他在电气工程的高级设计项目的一部分，由Lai指导。Wallace获得了美国国家科学基金会的研究生奖学金，现在是亚利桑那州立大学电气、计算机和能源工程学院的博士生。

亚利桑那州立大学团队的研究扩展了一项开创性的虚拟实验研究，该研究最近由东北大学的研究人员进行，使用拿咖啡杯的范式，并添加了一个滚动的球，以检验人类如何操纵复杂的物体。参与者故意有节奏地旋转杯子，以改变力度和频率，以确保球被控制住。

东北大学的研究表明，参与者倾向于选择低频率或高频率的策略——杯子有节奏的运动——来处理复杂的物体。

一个值得注意的发现是，当使用低频策略时，振荡表现为同相同步，而当使用高频策略时，振荡出现反相同步。

华莱士说:“由于低频和高频都是有效的，可以想象，虚拟实验中的一些参与者改变了策略。”“这问题。

华莱士问道:“同相同步与低频同步有关，而反相同步与高频同步有关，或者反之亦然。”“在参数空间中，同相和反相同步体制的边界是尖锐的、渐进的还是复杂的?”

在华莱士的好奇心的驱使下，亚利桑那州立大学的研究小组研究了同相和反相同步之间的过渡，他们使用了一个非线性动力学模型，该模型是一个连接在移动小车上的摆，受外部周期强迫作用。

研究人员发现，在弱强迫状态下，随着外部驱动频率的变化，过渡是突然的，并且发生在共振频率处，这可以用线性系统控制理论来充分理解。

除此之外，在同相和反相同步之间出现了一个过渡区域，在这个区域内，小车和摆的运动不同步。在低频侧的过渡区及其附近还发现了双稳定性。

总体而言，研究结果表明，人类能够从一个同步吸引器突然而有效地切换到另一个同步吸引器，这一机制可用于设计智能机器人，使其在变化的环境中自适应地处理复杂物体。

“人类有可能能够熟练地使用同相策略和反相策略，并在不知不觉中从一种策略顺利地转换到另一种策略。这项研究的结果可以用于将这些人类技能应用于其他领域的软机器人，如康复和脑机接口，”赖说。

此外，最先进的机器仍然无法完成像在装配线上运行汽车车身上的电线这样的琐碎工作——人类可以轻松完成这些工作。

华莱士说:“对人类如何与环境动态互动的系统定量理解，将永远改变我们设计世界的方式，并可能彻底改变智能假肢的设计，开启制造和自动化的新时代。”“通过模仿人类在处理复杂物体时的动态有利行为，我们将能够自动化之前认为不可能的过程。”

DOI

10.1103 / PhysRevApplied.16.034012

Synchronous Transition in Complex Object Control