人間の断続的な制御におけるノイズ駆動型制御活性化のダブルウェルのダイナミクス：スティックバランスの場合

不安定な平衡付近で動的システムのバランスをとるタスクに直面する場合、人間はしばしば断続的な制御戦略を採用します。システムを継続的に制御する代わりに、制御を繰り返しオンとオフに切り替えます。このようなタスクのパラダイムの例は、スティックバランスです。タスク自体のシンプルさにもかかわらず、スティックバランスの人間の断続的な制御ダイナミクスの複雑さは、まだ運動制御の研究者をパズルします。ここでは、人間の断続的な制御、制御活性化の重要なメカニズムの1つをモデル化しようとします。そうすることで、従来のしきい値駆動型活性化のより一般的な代替案であるノイズ駆動の活性化の概念に焦点を当てます。制御活性化は、制御されたシステムの状態に応じて変化するエネルギーの可能性におけるランダムウォークとして説明します。数値シミュレーションにより、開発されたモデルが、過剰乳化スティックバランスの実験で以前に観察された人間の制御活性化のコア特性をキャプチャすることを示します。我々の結果は、二重ウェルの潜在的なモデルが、少なくとも考慮されたタスクでは、人間の制御活性化の扱いやすい数学的説明を提供し、採用されたアプローチがより複雑なプロセスで人間の断続的な制御を理解するのに潜在的に役立つことを示唆していることを示しています。

When facing a task of balancing a dynamic system near an unstable equilibrium, humans often adopt intermittent control strategy: Instead of continuously controlling the system, they repeatedly switch the control on and off. Paradigmatic example of such a task is stick balancing. Despite the simplicity of the task itself, the complexity of human intermittent control dynamics in stick balancing still puzzles researchers in motor control. Here we attempt to model one of the key mechanisms of human intermittent control, control activation, using as an example the task of overdamped stick balancing. In doing so, we focus on the concept of noise-driven activation, a more general alternative to the conventional threshold-driven activation. We describe control activation as a random walk in an energy potential, which changes in response to the state of the controlled system. By way of numerical simulations, we show that the developed model captures the core properties of human control activation observed previously in the experiments on overdamped stick balancing. Our results demonstrate that the double-well potential model provides tractable mathematical description of human control activation at least in the considered task and suggest that the adopted approach can potentially aid in understanding human intermittent control in more complex processes.