La physique du transport d’une tasse de café sans en renverser

Malgré ce que cette tache oubliée depuis longtemps sur votre chemise blanche pourrait vous faire croire, les humains sont assez doués pour marcher avec une tasse de café et éviter les déversements, même si notre taux de réussite n’est pas tout à fait de 100 %. Chaque fois que vous parvenez à faire passer votre tasse de café d’un point à un autre sans en renverser, vous accomplissez intuitivement un exploit physique peu compris : manipuler un objet complexe tel qu’un liquide.

C’est selon un groupe de chercheurs de l’Arizona State University (ASU) qui a modélisé le phénomène de transport du café dans le but d’imprégner les robots de la même finesse. Dans un monde d’automatisation croissante, on s’attend à ce que les machines effectuent des mouvements plus habiles, explique Brent Wallace, titulaire d’un doctorat. étudiant à l’École d’ingénierie électrique, informatique et énergétique de l’ASU qui a participé aux travaux. «Mais même pour des tâches simples, comme porter une tasse d’eau ou une tasse de café, le robot se débat. Chaque jour, vous et moi préparons une tasse de café, et 99 jours sur 100, nous ne nous en renversons pas », dit Wallace. « Alors, comment pouvons-nous tirer parti de la résolution de ce type de problèmes ? Eh bien, étudions comment les humains se comportent dans ces situations.

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S’appuyant sur des travaux antérieurs à la Northeastern University, qui ont révélé que les humains ont deux approches principales pour manipuler un objet complexe comme un fluide, l’équipe de l’ASU a simulé ces réponses, en se concentrant sur la phase de transition entre les deux pour comprendre pourquoi les humains présentent une réponse binaire— et de voir comment les robots pourraient apprendre à faire de même à l’avenir. Les résultats ont été publiés dans la revue Examen physique appliqué fin 2021.

Approche n° 1 est appelée une stratégie à basse fréquence, et elle implique que des participants humains exercent une force de va-et-vient constante et lente sur la tasse de café. Du coup, si vous balancez votre mug vers la gauche, le java à l’intérieur emboîte le pas, comme un pendule. C’est ce qu’on appelle la synchronisation en phase. Alternativement, approchez No. 2 est une stratégie à haute fréquence dans laquelle les gens exercent une force saccadée et changeant rapidement sur la tasse. À la suite de cette approche, si vous balancez votre tasse vers la gauche, le java à l’intérieur se déplace vers le côté droit de la tasse. C’est ce qu’on appelle la synchronisation anti-phase.

Étant donné que les deux stratégies fonctionnaient, bien qu’aux extrémités opposées du spectre, Wallace a supposé que certains participants à l’étude du Nord-Est allaient et venaient entre les deux approches, déplaçant la tasse avec enthousiasme dans certaines situations, et plus délicatement à d’autres moments. Cela l’a amené à se demander : où se produit la transition entre la synchronisation en phase et en opposition de phase ?

Pour tester son hypothèse, Wallace a mis en place une expérience mécanique simulée afin qu’il puisse utiliser un nombre illimité de sujets de test. Il a choisi de mettre en place un modèle non linéaire d’un pendule attaché à un chariot en mouvement. Le chariot remplace la tasse et le pendule représente le café qui clapote. Un système non linéaire prend en compte tous les comportements chaotiques qui peuvent exister dans notre tasse de café, explique Wallace. La plupart des systèmes du monde réel sont non linéaires car ils sont difficiles à définir et n’existent pas dans le vide. Lorsque vous conduisez une voiture, par exemple, elle ira à 50 mph si vous appuyez sur la pédale d’accélérateur, mais elle n’ira pas à 5 000 mph si vous continuez à appuyer. Un système linéaire, en revanche, est beaucoup plus prévisible : un système à ressort ou une horloge se déplacera toujours de la même manière régulière. En pensant mathématiquement, cela se vérifie. Le graphique de l’équation linéaire yX est toujours une ligne droite; pendant ce temps, le graphique pour yX2 est une équation non linéaire qui ressemble à une courbe, représentant diverses solutions, pas une seule.

Alyse Markel/Popular Mechanics

Wallace et son équipe ont découvert que la phase de transition entre chacune des stratégies était variée, mais que dans les deux cas, les humains pouvaient basculer entre les approches « brusquement et efficacement », selon leur article. La phase de transition, comme prévu, a été la plus chaotique, ou imprévisible. Mais les humains se sont éloignés de ce terrain d’entente, s’en tenant étroitement à une approche ou à l’autre.

Les chercheurs pensent qu’ils peuvent implémenter ces contrôles dans des robots pour rendre leurs mouvements plus prévisibles et fiables, en manipulant de manière adaptative des objets complexes dans des environnements en constante évolution. Bien qu’il soit actuellement possible de programmer des machines pour qu’elles fonctionnent sur une base binaire, comme des humains qui claquent vigoureusement leur tasse de café ou marchent doucement avec, les robots ne sont toujours pas assez raffinés pour gérer la commutation entre les deux modes. Sur une chaîne de fabrication, par exemple, les systèmes de pendule suspendus sont assez courants, dit Wallace. En contrôlant les degrés de liberté internes dans un système de fabrication comme celui-ci, un bras robotisé peut souder de manière plus fiable la bonne pièce sans dépasser et fusionner une autre section.

“Si vous avez une idée de ce que vous voulez que la prothèse fasse, comme faire la tasse de café, vous pouvez intégrer ce genre d’intuitions naturelles que l’humain a.”

Ce paradigme pourrait également conduire à de meilleures prothèses, selon Ying-Cheng Lai, professeur à l’École d’ingénierie électrique, informatique et énergétique de l’ASU qui a participé aux travaux. Disons que vous avez une prothèse et que vous voulez faire une tasse de café. Vous devez envoyer un signal de votre cerveau à la prothèse, mais il est difficile de faire correspondre les deux. « Si vous avez une idée de ce que vous voulez que la prothèse fasse, comme faire la tasse de café, vous pouvez intégrer ces sortes d’intuitions naturelles que l’humain a dans un scénario régulier pour filtrer les commandes de référence provenant du cerveau. », explique-t-il.

Pour faire de tout cela une réalité, des travaux supplémentaires sont encore nécessaires pour mieux quantifier les changements subtils entre les approches. Wallace dit que l’équipe tentera d’étudier des systèmes avec plus de degrés de liberté, comme un pendule avec un autre pendule suspendu. Si tout fonctionne, nous pourrions un jour voir des robots se déplacer avec une intention prudente, tout comme nous.


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Vous pouvez remercier la convection thermocapillaire de faire coller vos aliments à votre poêle à frire préférée. C’est vrai, la physique peut expliquer pourquoi, parfois, vos viandes et légumes se coincent pendant la cuisson. Le phénomène provoque la perle, la rupture et la propagation de l’huile chaude sur les bords extérieurs d’une casserole, laissant la tache sèche redoutée au milieu.

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marguerite hernandez

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