Camminare con il caffè è qualcosa che la maggior parte di noi fa ogni giorno senza considerare l'atto di bilanciamento che richiede. Infatti, c'è molta fisica che impedisce al caffè di traboccare.

Il caffè, un fluido termicamente agitato contenuto in una tazza, ha gradi di libertà interni che interagiscono con la tazza che, a sua volta, interagisce con il portatore umano.

"Mentre gli esseri umani possiedono un naturale, o dotato, capacità di interagire con oggetti complessi, la nostra comprensione di tali interazioni, soprattutto a livello quantitativo, è prossimo allo zero, ", ha affermato il professor Ying-Cheng Lai dell'ASU, un professore di ingegneria elettrica dell'Arizona State University. "Non abbiamo la capacità cosciente di analizzare le influenze di fattori esterni, come il rumore o il clima, sulle nostre interazioni".

Ancora, la comprensione di questi fattori esterni è una questione fondamentale in campi applicativi come la robotica morbida.

"Per esempio, nella progettazione di protesi intelligenti, sta diventando sempre più importante costruire in modalità naturali di flessibilità che imitano il movimento naturale degli arti umani, " disse Brent Wallace, un ex studente universitario di Lai e ora studente di dottorato nelle scuole di ingegneria Ira A. Fulton dell'ASU. "Tali miglioramenti rendono la protesi più confortevole e naturale per l'utente".

Secondo Lai, è ipotizzabile che, in un futuro non troppo lontano, i robot saranno impiegati in varie applicazioni di manipolazione o controllo di oggetti complessi che richiedono il tipo di coordinamento e controllo del movimento che gli esseri umani fanno abbastanza bene.

Se un robot è progettato per camminare con una lunghezza del passo relativamente breve, quindi sono consentite variazioni relativamente grandi nella frequenza della deambulazione. Però, se si desidera un passo più lungo, quindi la frequenza di camminata dovrebbe essere selezionata con attenzione.

Un nuovo articolo pubblicato su Revisione fisica applicata , "Transizione sincrona nel controllo di oggetti complessi, " è nato con Wallace come parte del suo progetto di design senior in ingegneria elettrica, supervisionato da Lai. Wallace ha ricevuto una borsa di studio per laureati NSF e ora è uno studente di dottorato presso la School of Electrical dell'ASU, Ingegneria Informatica ed Energetica.

La ricerca del team dell'ASU si espande su un innovativo, studio sperimentale virtuale recentemente condotto da ricercatori della Northeastern University, usando il paradigma della tazzina da caffè e aggiungendo una pallina rotante, per esaminare come gli esseri umani manipolano un oggetto complesso. I partecipanti hanno deliberatamente ruotato la coppa in modo ritmico con la possibilità di variare forza e frequenza per garantire che la palla rimanesse contenuta.

Lo studio del nordest ha mostrato che i partecipanti tendono a selezionare una strategia a bassa frequenza o ad alta frequenza (movimento ritmico della tazza) per gestire un oggetto complesso.

Una scoperta notevole è stata che quando è stata utilizzata una strategia a bassa frequenza, le oscillazioni mostrano una sincronizzazione in fase, ma la sincronizzazione antifase si verifica quando è stata impiegata una strategia ad alta frequenza.

"Poiché sia ​​le basse che le alte frequenze sono efficaci, è concepibile che alcuni partecipanti all'esperimento virtuale abbiano cambiato strategia, " ha detto Wallace. "Questo solleva interrogativi.

"Come avviene una transizione dalla sincronizzazione in fase associata a una strategia a bassa frequenza alla sincronizzazione antifase associata a una strategia ad alta frequenza, o vice versa, " chiese Wallace. "Nello spazio dei parametri, è il confine tra i regimi di sincronizzazione in fase e antifase netto, graduale, o sofisticato?"

La ricerca del team ASU, spinto dalla curiosità di Wallace, ha studiato la transizione tra la sincronizzazione in fase e antifase utilizzando un modello dinamico non lineare di un pendolo attaccato a un carrello in movimento soggetto a forzatura periodica esterna.

I ricercatori hanno scoperto che, nel regime di forzatura debole, al variare della frequenza di guida esterna, la transizione è brusca e avviene alla frequenza di risonanza, che può essere pienamente compreso utilizzando la teoria del controllo dei sistemi lineari.

Al di là di questo regime, una regione di transizione emerge tra la sincronizzazione in fase e antifase, dove i movimenti del carro e del pendolo non sono sincronizzati. È stato anche scoperto che c'è bistabilità dentro e vicino alla regione di transizione sul lato delle basse frequenze.

Globale, i risultati indicano che gli esseri umani sono in grado di passare in modo brusco ed efficiente da un attrattore sincrono a un altro, un meccanismo che può essere sfruttato per progettare robot intelligenti per gestire in modo adattivo oggetti complessi in un ambiente in evoluzione.

"È possibile che gli esseri umani siano in grado di utilizzare abilmente strategie sia in fase che antifase e di passare da una strategia all'altra senza problemi, forse senza nemmeno rendersene conto. I risultati di questo studio possono essere utilizzati per implementare queste abilità umane in robot morbidi con applicazioni in altri campi, come la riabilitazione e l'interfaccia cervello-macchina, " disse Lai.

Inoltre, compiti banali come far passare i cavi in ​​una carrozzeria su una catena di montaggio, che gli esseri umani svolgono con facilità, sfuggono ancora alle macchine più avanzate.

"Una comprensione quantitativa sistematica di come gli esseri umani interagiscono dinamicamente con il loro ambiente cambierà per sempre il modo in cui progettiamo il nostro mondo, e potrebbe rivoluzionare il design delle protesi intelligenti e inaugurare una nuova era della produzione e dell'automazione, " ha detto Wallace. "Imitando i comportamenti dinamicamente favorevoli adottati dagli esseri umani nella manipolazione di oggetti complessi, saremo in grado di automatizzare processi precedentemente ritenuti impossibili."