9 月 8 日消息，喝咖啡走路是我們大多數(shù)人每天都會(huì)做的事情，我們卻很少考慮過(guò)咖啡為何不會(huì)灑出，事實(shí)上，這其中包括很多物理原理。
亞利桑那州立大學(xué)用于模擬人類(lèi)處理復(fù)雜物體的推車(chē)鐘擺系統(tǒng)的示意圖顯示：（a）球在圓形杯內(nèi)滾動(dòng)的概念模型和（b）非線性機(jī)械模型附在移動(dòng)小車(chē)上的鐘擺，由一組微分方程在數(shù)學(xué)上描述。
▲ 圖片來(lái)源：Brent Wallace，Ying-Cheng Lai，亞利桑那州立大學(xué)
咖啡是一種包含在杯子中的熱攪動(dòng)流體，具有與杯子相互作用的內(nèi)部自由度，而杯子又與人類(lèi)載體相互作用。
“雖然人類(lèi)擁有與復(fù)雜物體交互的自然或天賦能力，但我們對(duì)這些交互的理解，尤其是在數(shù)量層面上，幾乎為零，”亞利桑那州立大學(xué)電氣工程教授 Ying-Cheng Lai （下簡(jiǎn)稱(chēng) Lai）說(shuō)，“我們沒(méi)有意識(shí)來(lái)分析外部因素（如噪音或氣候）對(duì)我們互動(dòng)的影響?！?/p>
然而，了解這些外部因素是機(jī)器人等應(yīng)用領(lǐng)域的基本問(wèn)題。
亞利桑那州立大學(xué)博士 Brent Wallace 表示，“在智能假肢的設(shè)計(jì)中，建立模仿人體四肢自然運(yùn)動(dòng)的自然柔韌性模式變得越來(lái)越重要，這些改進(jìn)使用戶感覺(jué)假肢更加舒適和自然。”
可以想象，在不久的將來(lái)，機(jī)器人將被部署在復(fù)雜物體處理或控制的各種應(yīng)用中，這些應(yīng)用需要自然的協(xié)調(diào)和運(yùn)動(dòng)控制。
如果機(jī)器人被設(shè)計(jì)為以相對(duì)較短的步幅行走，則允許步行頻率的相對(duì)較大的變化。但是，如果需要更長(zhǎng)的步幅，則應(yīng)謹(jǐn)慎選擇步行頻率。
發(fā)表在《PHYSICAL REVIEW APPLIED》（物理評(píng)論應(yīng)用）上的一篇新論文“復(fù)雜對(duì)象控制中的同步轉(zhuǎn)換”起源于 Wallace。
科研團(tuán)隊(duì)研究擴(kuò)展了最近由 The Northeastern study 進(jìn)行的一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性的虛擬實(shí)驗(yàn)研究，使用咖啡杯固定范式并添加了一個(gè)滾動(dòng)球，以研究人類(lèi)如何操縱復(fù)雜物體。參與者故意以有節(jié)奏的方式旋轉(zhuǎn)杯子，并能夠改變力量和頻率，以確保球被控制住。
The Northeastern study 的研究表明，參與者傾向于選擇低頻或高頻策略，也就是通過(guò)杯子的有節(jié)奏運(yùn)動(dòng)，來(lái)處理復(fù)雜的物體。
一個(gè)顯著的發(fā)現(xiàn)是，當(dāng)使用低頻策略時(shí)，振蕩表現(xiàn)出同相同步，但當(dāng)使用高頻策略時(shí)，會(huì)出現(xiàn)反相同步。
“由于低頻和高頻都有效，可以想象虛擬實(shí)驗(yàn)中的一些參與者改變了策略，”Wallace 說(shuō)?！斑@提出了問(wèn)題。
“如何從與低頻策略相關(guān)的同相同步過(guò)渡到與高頻策略相關(guān)的反相同步，反之亦然，”Wallace 問(wèn)道?！霸趨?shù)空間中，同相和反相同步機(jī)制之間的邊界是尖銳的、漸進(jìn)的還是復(fù)雜的？”
在 Wallace 好奇心的推動(dòng)下，研究使用了一個(gè)擺錘的非線性動(dòng)力學(xué)模型來(lái)研究同相和反相同步之間的轉(zhuǎn)變，該模型連接到受到外部周期性強(qiáng)迫的移動(dòng)小車(chē)上。
研究人員發(fā)現(xiàn)，在弱強(qiáng)迫狀態(tài)下，隨著外部驅(qū)動(dòng)頻率的變化，轉(zhuǎn)變是突然的，并且發(fā)生在共振頻率處，這可以使用線性系統(tǒng)控制理論完全理解。
在這個(gè)范圍之外，在同相和反相同步之間出現(xiàn)一個(gè)過(guò)渡區(qū)域，其中小車(chē)和鐘擺的運(yùn)動(dòng)不同步。還發(fā)現(xiàn)在低頻側(cè)的過(guò)渡區(qū)域內(nèi)和附近存在雙穩(wěn)態(tài)。
總的來(lái)說(shuō)，結(jié)果表明人類(lèi)能夠從一個(gè)同步吸引子突然有效地切換到另一個(gè)同步吸引子，這種機(jī)制可用于設(shè)計(jì)智能機(jī)器人，以在不斷變化的環(huán)境中自適應(yīng)地處理復(fù)雜的物體。
Lai 表示“人類(lèi)有可能能夠巧妙地使用同相和反相策略，并順利地從一種策略切換到另一種策略，甚至可能沒(méi)有意識(shí)到。這項(xiàng)研究的結(jié)果可用于將這些人類(lèi)技能應(yīng)用于軟機(jī)器人以及其他領(lǐng)域的應(yīng)用，例如康復(fù)和腦機(jī)接口?！?/p>
此外，像在裝配線上在車(chē)身中鋪設(shè)電線一樣瑣碎的任務(wù)（人類(lèi)可以輕松完成）仍然無(wú)法使用最先進(jìn)的機(jī)器。
Wallace 說(shuō)：“對(duì)人類(lèi)如何與環(huán)境動(dòng)態(tài)互動(dòng)的系統(tǒng)定量理解將永遠(yuǎn)改變我們?cè)O(shè)計(jì)世界的方式，并可能徹底改變智能假肢的設(shè)計(jì)并開(kāi)創(chuàng)制造和自動(dòng)化的新時(shí)代。通過(guò)模仿人類(lèi)在處理復(fù)雜物體時(shí)采用的動(dòng)態(tài)有利行為，我們將能夠使以前認(rèn)為不可能的過(guò)程自動(dòng)化?！?/p>
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