Prefacio

Imitar la biología para mejorar los diseños de sistemas sensoriales y los algoritmos de procesamiento de señales ha prosperado en el pasado y continuará haciéndolo en las próximas décadas. Los avances tecnológicos generalmente han seguido la Ley de Moore (la capacidad se duplica cada 2 años más o menos) desde la década de 1960, mientras que nuestra comprensión de los sistemas sensoriales biológicos también está avanzando rápidamente. Estas tendencias alimentan los terrenos fértiles de los sistemas sensoriales bioinspirados, un tema que es intrínsecamente multidisciplinario. Este libro está destinado a ser utilizado como texto primario para un curso electivo técnico en un plan de estudios de ingeniería eléctrica de pregrado o posgrado, pero ciertamente podría ser utilizado también para fines relacionados. Los materiales disponibles para un curso de este tipo se han limitado previamente a textos de sistemas sensoriales de biología, sistemas de aplicación robótica, colecciones de artículos de numerosos autores, publicaciones técnicas actuales y material relacionado que ha sido útil pero incómodo como material de estudio de los estudiantes debido a la complejidad de la biología y la amplia gama de aplicaciones técnicas. No ha habido un libro o resumen de materiales de estudio disponibles que abarquen sistemáticamente los sistemas fotográficos, mecanos y quimio-sensoriales naturales en todo el reino animal y también resuma varias ideas novedosas de ingeniería que recogen ideas de estos sistemas sensoriales naturales.

Para un curso de un semestre se espera que el instructor de dicho curso busque en la literatura diseños recientes de sistemas sensoriales inspirados en la biología como ejemplos ya cubiertos en este texto. Se recomienda que se otorguen tareas especiales a los estudiantes del curso para revisar la literatura en busca de trabajos relevantes (o se les otorgue un conjunto de trabajos para elegir) y presentar sus hallazgos a la clase. Una tarea sugerida se da en el Apéndice A. También se recomienda que el instructor incluya los siguientes textos libres para una cobertura más profunda de la teoría de sistemas lineales específicos y conceptos de procesamiento de imágenes cuando corresponda (por ejemplo, al discutir una aplicación actual en particular):

Ulaby, F. y Yagle, A, Señales y sistemas: teoría y aplicaciones, Michigan Publishing, ISBN 978-1-60785-487-6, 2018. Disponible en ss2.eecs.umich.edu.

Yagle, A. y Ulaby, F., Procesamiento de imágenes para ingenieros, Michigan Publishing, ISBN 978-1-60785-489-0, 2018. Disponible en ip.eecs.umich.edu.

El siguiente texto es referenciado frecuentemente y se recomienda para un estudio mucho más profundo de la estructura y función de los sistemas sensoriales naturales. Romper este tema en sistemas fotosensoriales, mecano y químio-sensoriales se inspira en la organización de este libro:

Smith, C. U. M., Biología de los Sistemas Sensoriales, 2/e, John Wiley and Sons, ISBN: 978-0-470-51862-5, 2008.

Dado que los manuales de soluciones a los libros de texto están tan fácilmente disponibles, tiene más sentido trabajar problemas de ejemplo en este texto y proporcionar problemas de ejercicio similares (con solo las respuestas proporcionadas) para evaluar la habilidad requerida para resolver los problemas. También hay conjuntos de preguntas para que el alumno compruebe su comprensión del material cubierto. La mayoría de estas preguntas son respondidas directamente en el texto por lo que no se proporciona una clave de respuesta por separado.

Se introducen y trabajan problemas específicos que pretenden reforzar conceptos específicos cubiertos. Hay muchos otros problemas diversos que podrían introducirse, pero el objetivo es mantenerse dentro del alcance de un curso de un semestre. A continuación se presenta una lista parcial de los tipos de problemas y por qué fueron elegidos para este texto:

Los problemas de convolución 2D muestran cómo el filtrado de imágenes es una extensión 2D de convolución 1D cubierta en un curso de sistemas lineales estándar.

El problema de la constante espacial muestra una atenuación significativa de la señal iónica a medida que viaja por el axón.

Los problemas del modelo de circuito neuronal enfatizan que muchas veces las señales electrónicas neuronales se deben al movimiento de iones y no electrones y agujeros. En biología hay que reponer iones; así, el circuito incluye fuentes dependientes que modelan estructuras microbiológicas llamadas bombas de iones.

Los problemas de detección de movimiento muestran que se necesitan respuestas retardadas de neuronas adyacentes para la mayoría de las colas básicas de detección de movimiento.

Los problemas de procesamiento del oponente del entorno central muestran cómo se pueden combinar tres tipos de cono con respuestas ampliamente superpuestas a través del espectro electromagnético visible para identificar de manera única colores muy específicos.

El análisis de wavelet y el problema de síntesis demuestran que los filtros ampliamente superpuestos pueden usarse para codificar señales detalladas y conservar la energía de la señal, lo cual es muy importante para la biología.

El problema de respuesta de las neuronas auditivas es otro ejemplo de cómo las respuestas ampliamente superpuestas de neuronas adyacentes se pueden usar para extraer información tonal específica de la fuente de sonido entrante.

El autor agradece una asignación de un semestre de licencia de desarrollo profesional (PDL) en 2020 que hizo posible la finalización de este proyecto. Randy Hanna, decano de la Universidad Estatal de Florida Ciudad de Panamá (FSU PC), es apreciado por su disposición para inaugurar oportunidades PDL para profesores dedicados a la enseñanza en nuestro campus. Shaun Saxon, bibliotecario de FSU PC y Laura Miller, bibliotecaria de publicación abierta de FSU, fueron invaluables por la ayuda y consejos para que esto esté disponible en el sentido más práctico. Betul Adalier es muy apreciada por compartir su talento de diseño en la creación de la portada y la contraportada.

Este libro se proporciona de forma gratuita de acuerdo con la licencia Creative Commons señalada anteriormente. Se solicita que nos hagas saber cómo piensas usar el libro y que nos hagas saber cómo podemos mejorarlo. El autor puede ser contactado directamente para comentarios y comentarios en gbrooks@fsu.edu. El libro puede descargarse de las Bibliotecas FSU en manifold.lib.fsu.edu/projects/bio-inspired-sensory-systems.