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端着咖啡走路是物理学意义上的壮举

“倒立摆”系统处理复杂对象示意图。

很多人都会一边走一边喝咖啡,但他们并没有考虑过应该怎样保持平衡。事实上,其中蕴含着许多物理学原理。咖啡是一种热搅拌液体,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。美国亚利桑那州立大学电气工程教授Ying-Cheng Lai说:“虽然人类天生具备与复杂物体互动的能力,但我们对这些互动的理解几乎为零。”

然而,理解这些外部因素是软机器人应用面临的基本问题之一。研究人员Brent Wallace说:“例如,对智能假肢而言,模仿人类肢体的自然运动已经变得愈发重要,这能让假肢变得更加舒适、自然。在不远的将来,机器人会被部署在复杂的应用之中,而这些应用涉及人类才擅长的协调和运动控制。”

Wallace与东北大学的研究人员合作开展了一项虚拟实验研究,他们以手持咖啡杯的动作为范例,添加了一个滚动球,以检验人类对复杂物体的操控。志愿者故意有节奏地旋转杯子,通过改变力度和频率确保对滚动球的控制。实验结果显示,在转动过程中,低频率策略和高频率策略都在志愿者的选择范围内。其中,在使用低频策略时,振荡表现为同相同步,而当使用高频策略时,振荡表现为反相同步。Wallace说:“低频和高频策略都是有效的。由此衍生出的问题是,与低频策略相关的同相同步如何过渡到与高频策略相关的反相同步呢?在参数空间中,同相同步和反相同步的过度是突然的、渐进的还是复杂的?”

在上述问题的驱动下,研究人员使用一种非线性动力学模型,分析了同相同步与反相同步之间的过渡情况。结果显示,在弱强迫状态下,随着外部驱动频率的变化,过渡具有突发特征,并且发生在共振频率处。此外,在同相和反相同步之间的过渡区域内,模型中的小车和摆臂运动出现了不同步现象。在低频侧的过渡区及其附近还表现出了双稳性。

实验结果表明,人类能够从一个同步吸引子迅速有效地切换到另一个,这可能有助于设计更智能的机器人,使其快速适应变化的环境。Lai说:“人类能够熟练地使用同/反相策略,并在无意识中实现顺利切换。新成果可以将人类的这些技能导向康复和脑机接口等领域。”

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编译:雷鑫宇 审稿:西莫 责编:陈之涵

期刊来源:《物理评论应用》

期刊编号:2331-7019

原文链接:https://phys.org/news/2021-09-coffee-little-understood-feat-physics.html

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