lunedì 24 Gennaio 2022

La fisica dietro il bilanciamento del caffè in tazza come base per la robotica

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

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MILANO – Camminare con il caffè in mano (il classico coffee on the go che appare nelle serie americane) è qualcosa che tante persone hanno imparato a fare ogni giorno, senza però porre particolare attenzione sul bilanciamento che questa operazione richiede: ma pensandoci meglio, è la fisica che impedisce al liquido di traboccare dal bicchiere. In quanto fluido termicamente agitato dentro una tazza, ha diversi gradi di libertà che interagiscono con il contenitore che, a sua volta, si relaziona con il portatore. L’Università dell’Arizona spiega questo mistero da equilibristi con la scienza.

Coffee on the go: non è magia, è fisica

“Mentre gli esseri umani possiedono una capacità naturale di interagire con oggetti complessi, la comprensione di tali interazioni, specialmente a livello quantitativo, è prossima allo zero”, ha affermato il professor Ying-Cheng Lai dell’ASU, 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”.

Tuttavia, questa comprensione è fondamentale in campi applicati come la robotica soft.

“Ad esempio, nella progettazione di protesi intelligenti, sta diventando sempre più importante costruire modalità naturali di flessibilità che imitano il movimento degli arti umani”, ha affermato Brent Wallace, un ex studente universitario di Lai e ora studente di dottorato in Ira dell’ASU. A. Fulton Scuole di Ingegneria. “Questi miglioramenti rendono la protesi più confortevole e naturale per l’utente”.

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

Un nuovo articolo pubblicato su Physical Review Applied, “Synchronous Transition in Complex Object Control”, 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 Scuola di ingegneria elettrica, informatica ed energetica dell’ASU.

La ricerca del team dell’ASU: uno studio sperimentale virtuale condotto da ricercatori della Northeastern University, utilizzando il paradigma della tazza di caffè

E aggiungendo una palla 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 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.

Ed ecco la scoperta: quando è stata utilizzata una strategia a bassa frequenza, le oscillazioni mostrano una sincronizzazione in fase, ma la sincronizzazione anti-fase si verifica quando è stata impiegata un movimento ad alta frequenza.

“Dal momento che sia le basse che le alte frequenze sono efficaci, è concepibile che alcuni partecipanti all’esperimento virtuale abbiano cambiato strategia“, ha affermato Wallace. “Questo solleva interrogativi.”

La ricerca del team dell’ASU, spinta dalla curiosità di Wallace, ha studiato la transizione tra la sincronizzazione in fase e anti-fase utilizzando un modello dinamico non lineare di un pendolo attaccato a un carrello in movimento soggetto a forzature periodiche esterne.

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

Al di là di questo, emerge una parentesi di transizione tra la sincronizzazione in fase e anti-fase, in cui i movimenti del carrello 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.

Nel complesso, 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 anti-fase e di passare da una strategia all’altra senza intoppi, 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”, ha detto Lai.

“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 la progettazione di protesi intelligenti e inaugurare una nuova era della produzione e dell’automazione”, ha affermato Wallace. “Imitando i comportamenti dinamicamente favorevoli adottati dagli esseri umani nella manipolazione di oggetti complessi, saremo in grado di automatizzare processi precedentemente ritenuti impossibili“.

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