Как геометрия объекта влияет на нашу интуитивную физику устойчивости

Роль геометрии объекта в интуитивной физике устойчивости

Как люди определяют физическую устойчивость объектов? Преобладающая теория emphasizes ментальную симуляцию физических событий, реализуемую с помощью интуитивного физического движка (intuitive physics engine - IPE) в сознании. В данном исследовании мы проверяем, в какой степени перцептивные features геометрии объекта достаточны для определения направления падения. Во всех экспериментах взрослые и дети определяли направление падения наклоненного объекта, и в разных экспериментах объекты отличались по геометрическим характеристикам (геометрический центроид, высота объекта, размер основания и/или соотношение сторон), relevant для данного суждения.

Методология исследования

Производительность участников сравнивалась с computational models, обученными на геометрических features, а также с глубокой сверточной нейронной сетью (deep convolutional neural network - ResNet50), ни одна из которых не включала ментальную симуляцию. Результаты взрослых и детей хорошо соответствовали models геометрии объекта, particularly геометрическому центроиду. ResNet50 также хорошо объясняла производительность человека. В целом, наши findings предполагают, что геометрия объекта может быть sufficient для определения направления падения наклоненных объектов, independent от ментальной симуляции.

Введение в интуитивную физику

Люди exceptional в понимании физической среды. Действительно, hallmark наших интуиций о физическом мире—нашей так называемой «интуитивной физики»—это efficiency, с которой мы estimate динамические изменения состояния объектов или событий. Взрослые люди быстро и точно определяют, где поставить кофейную чашку на загроможденном столе или как сложить стопку книг. И даже дети в возрасте 3 месяцев демонстрируют широкую осведомленность о физических событиях, включая (implicit) понимание того, что неподдерживаемый объект должен упасть на землю.

Теоретические подходы

Несмотря на нашу легкость в reasoning о физической среде и, казалось бы, раннюю чувствительность к устойчивости объекта, многое остается unknown о mechanisms, которые формируют development наших интуитивных физических суждений. Долговременная теория, в основном из developmental science, утверждает, что наши интуиции о физической среде основаны на acquired rules (или эвристиках). С этой точки зрения, наши predictions о будущих событиях follow из нашего prior опыта, и эти experiences формируют basis для системы правил, которые мы apply к similar scenarios.

Геометрический центроид как ключевой фактор

Одним из свойств объекта, которое может быть particularly important для суждений об устойчивости, является геометрический центроид. Геометрический центроид, также известный как центр mass объекта, представляет собой unique точку объекта, на которой усреднена вся mass объекта. Это можно считать latent summary statistic, который вычисляется из набора perceptible features (например, высота, основание и соотношение сторон). Под действием gravity, если геометрический центроид поддерживается основанием под ним, то весь объект поддерживается (при условии uniform распределения mass), так что весь weight объекта действует на его геометрическом центроиде.

Чувствительность человека к геометрическим features

Исследования с участием людей показали, что взрослые observers estimate геометрические центроиды 2D форм и 3D объектов с good precision. Было даже показано, что взрослые относятся к этой информации preferentially, обращая внимание на геометрический центроид во время visual search, а не на local cues, и treating геометрический центроид как prototype пространственной области. Тем не менее, evidence для роли геометрического центроида в суждениях об устойчивости lacking.

Экспериментальный подход

В настоящем исследовании мы предлагаем twofold подход к testing, whether человеческие observers—взрослые и дети—судит об (не)устойчивости объекта в соответствии с геометрическим центроидом объекта. Во-первых, мы tested взрослых и детей на psychophysical задаче, которая required определения направления падения для наклоненного объекта. Участники tested с тщательно разработанными objects, которые allowed для examining extent, к которому они relied на specific геометрические features.

Сравнение с computational models

Более того, мы сравнили суждения взрослых и детей participants, чтобы shed light на potential developmental similarities и differences. Хотя previous research обнаружила чувствительность к геометрическому центроиду среди взрослых, unclear, есть ли у детей similar tendency, включая использование этой информации для estimate направления падения. Во-вторых, мы сравнили behavioral responses участников с двумя типами models. Один тип, который мы называем geometric models, был основан на measurable геометрических features (размер основания, положение центроида, высота или соотношение верх/низ [T/B ratio]). Другой тип был ResNet50, DNN pretrained на ImageNet, который known своим success в classification объектов.

Результаты исследований

Аcross два эксперимента participants представляли с наклоненными objects и questioned, упадет ли объект на землю или на стол. Более specifically, поскольку objects были наклонены, decisions participants были specific к direction падения, не whether objects могут оставаться на месте. Мы assessed precision, с которой взрослые и дети estimate направление падения across range условий, включая когда specific геометрические features (например, высота объекта) были irrelevant к суждению.

Анализ производительности

Производительность model tested с использованием только геометрических features объектов (геометрические models) или visual properties сцен (ResNet50) и не включала any rules или simulations относительно падения объекта. Если геометрические models хорошо approximate человеческую производительность, то это would suggest, что геометрические properties specific к target объекту sufficient для account человеческих суждений о direction падения. Если ResNet50 также хорошо approximate человеческую производительность, то это would additionally suggest, что perceptual inputs из DNN may быть sufficient для суждений о падении объекта без mechanism симуляции.

Обсуждение findings

Фундаментальный вопрос о интуитивной физике человека concerns computations, используемые для reasoning о status падающего события. Изменяя геометрию объекта и comparing производительность взрослых людей и детей с different computational models, мы found, что использование object-centered geometry allowed для intuiting, как unstable объект будет падать. Преобладающая теория интуитивной физики appeals к интуитивному физическому движку (IPE), в котором probabilistic ментальная симуляция necessary для суждения об устойчивости объекта.

Значение для теории интуитивной физики

Настоящие findings, however, argue против necessity ментальной симуляции, по крайней мере, когда суждения constrained к simple физическим событиям. Более того, наши data suggest, что perceptual inputs, related к object-centered geometry, particularly геометрическому центроиду объекта, sufficient для predicting падающего события. Настоящие data suggest привилегированную роль для геометрического центроида в суждениях об устойчивости. Действительно, это builds upon other research, которое демонстрирует, что по крайней мере взрослые highly чувствительны к центроидам объектов.

Заключение и будущие направления

Хотя интуиции людей о физическом мире long были lauded, много debate remains о том, как such интуиции achieved. Настоящие findings provide novel демонстрацию роли object-centered геометрических features в интуитивной физике взрослых людей и детей. В целом, наша work suggests, что взрослые и дети predict направление падения наклоненных объектов using геометрические properties, particularly геометрический центроид объекта. Более того, extent, к которому responses participants были хорошо modeled как геометрическими models, так и ResNet50, suggests, что ментальная симуляция may быть unnecessary, по крайней мере, при задаче, constrained к суждениям о direction падения.

Перспективы дальнейших исследований

Будущие исследования would do well чтобы establish boundary conditions, upon которых object-centered representations sufficient для predicting физических событий и когда симуляция may быть needed. Будут well-known условия, в которых ментальная симуляция используется человеческими observers для reasoning о физических relations объектов. Например, при deciding, в каком direction шестерня в ряду шестеренок будет move, многие observers report rotating шестерни в opposite directions в их minds. Временные реакции, которые track с number шестеренок в problem, corroborate это introspection (как и gestures participants, которые mimic движения шестеренок во время solving проблемы).