Глядя на официантов, невольно поражаешься их ловкости. Как они умудряются носить еду и напитки, не проливая содержимое и не роняя посуду? На самом деле, каждый из нас по-своему волшебник. Мы ведь тоже не проливаем чай или кофе, когда идем с чашкой в руке из кухни в зал или спальню. Недавно физики проанализировали движения людей и поняли, как нам удается носить кружки с жидкостью.
Элементарный вопрос вселенских масштабов
Во вселенной действуют множество законов физики, предотвращающих проливание кофе. Термически перемешиваемая жидкость, содержащаяся в чашке, имеет внутренние степени свободы, которые взаимодействуют с чашкой, а она, в свою очередь, взаимодействует с человеком-носителем.
"Хотя люди обладают врожденной или приобретенной способностью взаимодействовать со сложными объектами, наше понимание этих взаимодействий близко к нулю. Ведь для этого приходится анализировать влияние внешних факторов, таких как шум, температура, влажность и прочее", – сказал профессор электротехники Ин-Ченг Лай из Университета штата Аризона.
Человек – учитель роботов
Кому вообще понадобилось изучать условия, при которых человек способен не пролить горячий кофе? На первый взгляд это напоминает трату грантов учеными на бесполезные исследования. Но это не так. Понимание этих внешних факторов является фундаментальной проблемой в таких прикладных областях, как робототехника.
"Например, при разработке интеллектуальных протезов становится все более важным использовать режимы гибкости, имитирующие естественное движение человеческих конечностей", – говорят ученые.
По словам профессора Лая, недалек тот день, когда роботы будут задействованы в различных программах для управления сложными объектами, требующими высокой координации движения, сравнимой с людской. Если робот предназначен для ходьбы с короткой длиной шага, то в этом случае допускаются большие вариации частоты ходьбы. Однако если требуется более длинный шаг, следует тщательно выбирать частоту ходьбы, чтобы сохранять устойчивость.
Простой эксперимент, глобальные выводы
Учеными был проведен эксперимент "Синхронный переход в управлении сложными объектами", во время которого участникам необходимо было держать в руках кофейную чашку и одновременно вращать в ней маленький мячик, который имитирует жидкость. Цель – не допустить падения мячика.
Как оказалось, люди прекрасно справляются с этой задачей. При этом могут менять частоту и силу вращения, меняя амплитуду колебаний удерживаемой посуды. Даже для самых совершенных роботов такое пока невозможно.
Исследование показало, что участники склонны выбирать либо низкочастотную, либо высокочастотную стратегию – ритмическое движение чашки - для обработки сложного объекта. Замечательным открытием было то, что при использовании низкочастотной стратегии колебания проявляют синфазную синхронизацию, но противофазная синхронизация возникает при использовании высокочастотной стратегии.
"Поскольку для удержания в чашке вращающегося мячика эффективны как низкие, так и высокие частоты, вполне возможно, что некоторые участники эксперимента меняли стратегии, – сказал автор работы Брент Уоллес, ученик Ин-Ченг Лая. – Для нас важно было понять, как происходит переход от синфазной синхронизации, связанной с низкочастотной стратегией, к противофазной синхронизации, связанной с высокочастотной стратегией. И наоборот".
В целом результаты показывают, что люди могут резко и эффективно переключаться с одного синхронного аттрактора на другой. Этот механизм можно использовать для разработки интеллектуальных роботов для адаптивной обработки сложных объектов в изменяющейся среде.
