Une illustration schématique du système chariot-pendule pour simuler la manipulation humaine d'un objet complexe, comme une tasse de café chaud :(a) un modèle conceptuel d'une balle roulant à l'intérieur d'une tasse circulaire et (b) un modèle mécanique non linéaire d'un pendule attaché à un chariot mobile, qui est mathématiquement décrit par un ensemble d'équations différentielles. Crédit :Brent Wallace, Ying-Cheng Lai, Université de l'État d'Arizona
Marcher avec du café est quelque chose que la plupart d'entre nous faisons tous les jours sans tenir compte de l'équilibre que cela nécessite. En réalité, il y a beaucoup de physique qui empêche le café de déborder.
Le café, un fluide thermiquement agité contenu dans une coupelle, possède des degrés de liberté internes qui interagissent avec la cupule qui, à son tour, interagit avec le porteur humain.
"Alors que les humains possèdent un naturel, ou doué, capacité à interagir avec des objets complexes, notre compréhension de ces interactions, en particulier au niveau quantitatif, est proche de zéro, " a déclaré le professeur de l'ASU Ying-Cheng Lai, professeur de génie électrique à l'Arizona State University. "Nous n'avons pas la capacité consciente d'analyser les influences de facteurs externes, comme le bruit ou le climat, sur nos interactions."
Encore, comprendre ces facteurs externes est un enjeu fondamental dans des domaines appliqués tels que la robotique douce.
"Par exemple, en conception de prothèses intelligentes, il devient de plus en plus important d'intégrer des modes naturels de flexibilité qui imitent le mouvement naturel des membres humains, " a déclaré Brent Wallace, un ancien étudiant de premier cycle de Lai et maintenant un étudiant au doctorat dans les écoles d'ingénierie Ira A. Fulton de l'ASU. "De telles améliorations rendent la prothèse plus confortable et naturelle pour l'utilisateur."
Selon Lai, il est concevable que, dans un avenir pas si lointain, les robots seront déployés dans diverses applications de manipulation ou de contrôle d'objets complexes qui nécessitent le type de coordination et de contrôle des mouvements que les humains font assez bien.
Si un robot est conçu pour marcher avec une longueur de foulée relativement courte, alors des variations relativement importantes de la fréquence de marche sont autorisées. Cependant, si une foulée plus longue est souhaitée, alors la fréquence de marche doit être choisie avec soin.
Un nouvel article publié dans Examen physique appliqué , "Transition synchrone dans le contrôle d'objets complexes, " est né avec Wallace dans le cadre de son projet de conception senior en génie électrique, supervisé par Lai. Wallace a reçu une bourse d'études supérieures de la NSF et est maintenant doctorant à l'École d'électricité de l'ASU, Génie informatique et énergétique.
La recherche de l'équipe de l'ASU s'étend sur un étude expérimentale virtuelle récemment menée par des chercheurs de la Northeastern University, en utilisant le paradigme de la tasse de café et en ajoutant une boule roulante, pour examiner comment les humains manipulent un objet complexe. Les participants ont délibérément tourné la tasse de manière rythmique avec la possibilité de varier la force et la fréquence pour s'assurer que la balle reste contenue.
L'étude Northeastern a montré que les participants ont tendance à sélectionner une stratégie à basse ou à haute fréquence (mouvement rythmique de la tasse) pour manipuler un objet complexe.
Une découverte remarquable était que lorsqu'une stratégie à basse fréquence était utilisée, les oscillations présentent une synchronisation en phase, mais la synchronisation en antiphase survient lorsqu'une stratégie à haute fréquence a été utilisée.
« Comme les basses et les hautes fréquences sont efficaces, il est concevable que certains participants à l'expérience virtuelle aient changé de stratégie, " a déclaré Wallace. " Cela soulève des questions.
"Comment s'effectue le passage d'une synchronisation en phase associée à une stratégie basse fréquence à une synchronisation antiphase associée à une stratégie haute fréquence, ou vice versa, " demanda Wallace. " Dans l'espace des paramètres, est la frontière nette entre les régimes de synchronisation en phase et en opposition de phase, graduel, ou sophistiqué ?"
Les recherches de l'équipe ASU, poussé par la curiosité de Wallace, ont étudié la transition entre la synchronisation en phase et en antiphase à l'aide d'un modèle dynamique non linéaire d'un pendule attaché à un chariot mobile soumis à un forçage périodique externe.
Les chercheurs ont découvert que, en régime faiblement forçant, comme la fréquence d'entraînement externe est variée, la transition est brutale et se produit à la fréquence de résonance, qui peut être pleinement compris en utilisant la théorie du contrôle des systèmes linéaires.
Au-delà de ce régime, une région de transition émerge entre la synchronisation en phase et en opposition de phase, où les mouvements du chariot et du pendule ne sont pas synchronisés. Il a également été constaté qu'il existe une bistabilité dans et à proximité de la région de transition du côté des basses fréquences.
Globalement, les résultats indiquent que les humains sont capables de passer brusquement et efficacement d'un attracteur synchrone à un autre, un mécanisme qui peut être exploité pour concevoir des robots intelligents pour gérer de manière adaptative des objets complexes dans un environnement changeant.
"Il est possible que les humains soient capables d'utiliser habilement les stratégies en phase et en antiphase et de passer d'une stratégie à une autre en douceur, peut-être sans même s'en rendre compte. Les résultats de cette étude peuvent être utilisés pour mettre en œuvre ces compétences humaines dans des robots mous avec des applications dans d'autres domaines, tels que la rééducation et l'interface cerveau-machine, " dit Lai.
En outre, des tâches aussi triviales que de faire passer des câbles dans une carrosserie de voiture sur une chaîne de montage - que les humains effectuent avec facilité - échappent encore aux machines les plus avancées.
"Une compréhension quantitative systématique de la façon dont les humains interagissent dynamiquement avec leur environnement changera à jamais la façon dont nous concevons notre monde, et peut révolutionner la conception de prothèses intelligentes et inaugurer une nouvelle ère de fabrication et d'automatisation, " a déclaré Wallace. " En imitant les comportements dynamiquement favorables adoptés par les humains dans la manipulation d'objets complexes, nous pourrons automatiser des processus que l'on croyait auparavant impossibles."
