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一项你每天都在挑战的物理学难题:优雅地拿着咖啡冲进办公室

前瞻网    2021-09-13 19:05

 

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现在是早上8:55,距离迟到还有5分钟的距离,你站在公司楼下的便利店,纠结要不要买一杯咖啡。

不买,你整个上午都会挣扎在困意当中;买,咖啡很可能会在冲进电梯的时候撒你一手。

怎么办呢?

这是不少打工人每天早上都会面临的“咖啡困境”。而事实上,有很多物理原理可以防止咖啡在走动的过程中溢出。

咖啡是一种包含在杯子中的热搅动流体,具有与杯子相互作用的内部自由度,而杯子又与人类这个载体相互作用。

有经验的“咖啡困境”挑战者可能会注意到:当我们走得慢的时候,咖啡的晃动频率是与我们的行走同步的;而当我们走得快的时候,咖啡的晃动方向反而与我们的行走运动相反。

这项由亚利桑那州州立大学主导的研究扩展了最近由东北大学的研究人员进行的一项开创性的虚拟实验研究,使用咖啡杯固定范式,并添加了一个滚动球,以研究人类如何操纵复杂物体。参与者故意以有节奏的方式旋转杯子,并能够改变力量和频率,以确保球被控制住。

研究当中一个显着的发现是:当使用低频移动策略时,振荡表现出同相同步;但当使用高频移动策略时,会出现反相同步。 由于低频和高频都有效,可以想象虚拟实验中的一些参与者改变了策略。于是,研究人员进一步提出了新的问题:在参数空间中,同相和反相同步机制之间的边界是尖锐的、渐进的还是复杂的?

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

在这个范围之外,在同相和反相同步之间出现一个过渡区域,其中小车和钟摆的运动不同步。研究人员还发现在低频侧的过渡区域内和附近存在双稳态。

总的来说,结果表明人类在同相和反相同步进行无缝切换。这种机制可用于设计智能机器人,以在不断变化的环境中自适应地处理复杂的物体。

研究人员得出结论:“人类有可能在无意识的情况下,巧妙地使用同相和反相策略,并顺利地从一种策略切换到另一种策略。这项研究的结果可用于将这些人类技能应用到软机器人中,并应用于其他领域,例如康复和脑机接口。”

例如,在智能假肢的设计中,建立模仿人体四肢自然运动的自然柔韧性模式变得越来越重要。这些改进使用户感觉假肢更加舒适和自然。

对人类如何与环境动态互动的系统量化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并开创制造和自动化的新时代。通过模仿人类在处理复杂物体时采用的动态有利行为,科学家将能够使以前认为不可能的过程自动化。

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责任编辑: 3976DBC

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人家也是有底线的啦~
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