1.2: Motivación para este estudio multidisciplinario

1.2 Motivación para este estudio multidisciplinario

Entonces, ¿por qué un curso especial de ingeniería eléctrica enfocado en diseños de sistemas sensoriales de inspiración biológica y técnicas de procesamiento de señales? Algunas de las razones incluyen:

- Los sistemas naturales resuelven problemas de ingeniería

- La información biológica está cada vez más disponible

- La tecnología es cada vez más asequible y disponible

- Las agencias de investigación continúan apoyando la bioinspiración

- Una mejor comprensión de la biología puede resultar de intentar imitar la biología

1.2.1 Los sistemas naturales resuelven problemas de ingeniería.

Desde los primeros tiempos hemos buscado sistemas biológicos para soluciones de ingeniería a nuestros problemas técnicos. Por ejemplo, en la mitología griega el legendario Dédalo, constructor del laberinto cretense, fue motivado por pájaros para construir alas para ayudarlo a él y a su hijo, Ícaro, a escapar del encarcelamiento. Observaciones posteriores de aves, como la forma de ala, han dado lugar a características modernas de diseño de aeronaves.

El velcro se ha inspirado en la forma en que las rebabas se adhieren a la ropa. Los robots autónomos pueden beneficiarse del estudio de los mecanismos de control naturales que se encuentran en criaturas similares en el reino animal. Los sistemas de visión artificial para robótica requieren la separación de objetos del fondo, una tarea intrínsecamente integrada en el diseño de sistemas de visión natural. La capacidad de reconocimiento de imágenes de los humanos es difícil de duplicar con la tecnología informática, aunque las neuronas son cinco o seis órdenes de magnitud más lentas que los transistores de silicio y son heterogéneas (o considerablemente 'desapareadas' cuando se comparan con los transistores).

1.2.2 La información biológica está cada vez más disponible

La dificultad en la ingeniería inversa de los sistemas naturales se debe en parte a nuestra falta de comprensión completa de estos sistemas complejos. En química orgánica y microbiología, hemos destapado mucho detalle de los procesos físicos fundamentales a nivel neuronal. También tenemos una comprensión considerable del comportamiento general de los sistemas desde campos como la psicología o la psicofísica. Lo difícil de entender, sin embargo, es cómo los procesos microscópicos transforman la información sensorial en las decisiones y comportamientos macroscópicos. Esto lleva a un interés por las optimizaciones de diseño natural y los esquemas de interconexión.

Comúnmente se acuerda que muchas personas harán casi cualquier cosa por dinero pero también lo renunciarán libremente por su salud. Esto captura nuestra limitada existencia en el tiempo y el espacio al tiempo que se desea la permanencia, lo que nos lleva a nuestra disposición a hacer todo lo posible para mantener o mejorar nuestra salud. Como resultado, hay y siempre habrá enormes recursos (fondos, etc.) disponibles para explorar una comprensión más profunda de los fenómenos biológicos. Aunque guiados con fines médicos, eventualmente se desarrollarán conceptos de sistema aplicables para otros usos. A medida que avanzamos en la era de la información con cada vez mejor tecnología, muchos de los detalles ya están disponibles para explotar conceptos de diseño sensorial natural.

Aunque ya existe abundancia de información disponible sobre sistemas sensoriales naturales y procesamiento de señales, es difícil para los ingenieros descifrar información útil de la literatura biomédica. Esto se debe en parte a las diferentes motivaciones: La comunidad médica está interesada en diagnosticar problemas del sistema (orgánico) y formular procedimientos y medicamentos para solucionar esos problemas o permitir al paciente la capacidad de lidiar adecuadamente con los problemas. El ingeniero, por otro lado, está más interesado en cómo se logran tareas específicas a partir de las señales sensoriales disponibles.

1.2.3 La tecnología abundante es asequible y fácil de usar

Debido a los rápidos avances en las velocidades de procesamiento y las capacidades de rendimiento, ahora se han desarrollado muchas aplicaciones exitosas utilizando inteligencia artificial, arquitecturas de redes neuronales de aprendizaje profundo y otras tecnologías relacionadas. Una pequeña muestra de herramientas fácilmente disponibles para estudiantes e investigadores incluye:

- Herramientas informáticas reconfigurables como Quartus (Altera) y Vitis (Xilinx)

- Herramientas de simulación de circuitos como PSPICE (Microsim)

- Adquisición de datos como LabVIEW (National Instruments)

- Herramientas computacionales como Matlab (Mathworks)

- Plataformas de desarrollo como Raspberry, Arduino, etc.

- Lenguajes como Python

1.2.4 Las agencias de investigación continúan apoyando la bioinspiración

El autor se basa en la experiencia laboral anterior en la Dirección de Municiones del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (AFRL/MN). Para abordar el alto rendimiento de procesamiento de señal y la latencia corta de un generador de imágenes que guía un misil de hipervelocidad exo-atmosférica, se exploraron conceptos novedosos que involucraron enfoques inspirados en la biología. Los conceptos financiados incluyeron un sensor de infrarrojos con lectura inspirada en la retina, objetivos multiresolución inspirados en la visión foveada y otros proyectos de investigación que explotan diversas ideas de diseño sensorial bioinspiradas.

Algunos esfuerzos históricos (finales de los ochenta y noventa)

Gran parte del trabajo en AFRL/MN se aprovechó de investigaciones anteriores patrocinadas por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) y la Oficina de Investigación Naval (ONR). Investigaciones financiadas por la ONR y DARPA así como la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), el Instituto Nacional de Salud (NIH) y otros han dado como resultado libros cuyos capítulos individuales son escritos por los diversos investigadores, lo que puede llevar a una considerable falta de continuidad y consistencia. Sin embargo, el material de este tipo de libros ha demostrado ser muy útil; algunos ejemplos incluyen

- Mead, Carver, VLSI Analógico y Sistemas Neurales, Addison-Wesley, 1989.

- Zornetzer, Steven, Davis, Joel y Lau, Clifford, editores, Una introducción a las redes neuronales y electrónicas, Academic Press, 1990.

- Ayers, J., Davis, J. y Rudolph, A., editores de Neurotecnología para Robots Biomiméticos, MIT Press, 2002.

- Bar-Cohen, Yoseppe, y Breazeal, Cynthia, editores, Robots Inteligentes de inspiración biológica, Taylor y Francis, 2003.

- Bar-Cohen, Yoseppe, editor, Biomimetics: Biologically-inspired Technologies, Taylor y Francis, 2006.

El siguiente libro y la ^2ª edición han sido útiles para cubrir la estructura y función de los sistemas sensoriales biológicos:

- Smith, C.U.M, Biología de los Sistemas Sensoriales, John Wiley e Sons, ISBN: 0-471-85461-1, 2000.

Como ejemplo de continuo apoyo fuerte y directo a la biomimética, considere este extracto de un anuncio para el Taller de Biomimética para la Seguridad de Redes Computadoras (1999):

“La Oficina de Investigación Naval patrocina un taller cuyo objetivo será identificar tecnologías que se inspiren en la fundación biológica y que, al madurar, puedan contribuir a un incremento significativo en la capacidad de seguridad de la red... Esta investigación tiene como objetivo desarrollar una nueva clase de biológicamente robots inspirados que exhiben una robustez mucho mayor en el rendimiento en entornos no estructurados que los robots actuales... La investigación implica una estrecha colaboración entre investigadores en robótica y fisiología de las universidades Stanford, U.C. Berkeley, Harvard y Johns Hopkins... patrocinada por la Oficina de Investigación Naval bajo subvención N00014-98-1-0669...”

Desarrollos más recientes

En agosto de 2020, la Oficina de Investigaciones Navales (ONR, www.onr.navy.mil, Código 341) continuó recabando propuestas de contrato y otorgamiento en el área de “Sistemas Autónomos Bio-inspirados” con la siguiente descripción:

El objetivo de Sistemas Autónomos Bio-inspirados es extraer principios de control sensoriomotor, biomecánica y dinámica de fluidos de propulsión y control subacuático en animales acuáticos y anfibios que subyacen a la agilidad, sigilo, eficiencia y adaptaciones sensoriales de estos animales. Los principios que surgen de esta investigación interdisciplinaria se formalizan y exploran en prototipos avanzados. El objetivo de este programa es ampliar la envolvente operativa de los vehículos submarinos y anfibios de la Marina y permitir una mejor manipulación submarina.

así como en “Bio-inspired Signature Management” con la siguiente descripción:

El programa Bio-inspired Signature Management tiene como objetivo descubrir adaptaciones de inspiración biológica y soluciones de bioingeniería para expandir las capacidades actuales de los cazas de guerra en la mitigación de la detección y los desafíos de navegación submarina. Esto se logrará a través de investigaciones multidisciplinarias en campos de ciencia y tecnología como materiales bioinspirados/biomiméticos, percepción visual y sensorial, y bioóptica/bioelectrónica.

También en agosto de 2020 la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA, www.darpa.mil) da la siguiente descripción de su programa “La naturaleza como computadora (NAC)”:

Ciertos procesos naturales realizan computación por excelencia con niveles de eficiencia inigualables por los modelos digitales clásicos. La paradoja de Levinthal ilustra esto bien: En la naturaleza, las proteínas se pliegan espontáneamente en escalas de tiempo cortas (milisegundos) mientras que no existe una solución eficiente para resolver problemas de plegamiento de proteínas usando computación digital. El programa Nature as Computer (NAC) propone que en la naturaleza existe sinergia entre la dinámica y las limitaciones físicas para lograr un cálculo efectivo con recursos mínimos. NAC tiene como objetivo desarrollar conceptos de investigación innovadores que explotan la interacción entre los comportamientos dinámicos y las propiedades intrínsecas del material para desarrollar nuevas y poderosas formas de computación. La capacidad de aprovechar los procesos físicos para el cálculo intencionado ya se ha demostrado a escalas de laboratorio. El NAC busca aplicar estos conceptos a desafíos de computación que, por razones fundamentales, son poco adecuados para, o funcionalmente inexplorados con, modelos clásicos. NAC sentará las bases para avanzar en nuevas teorías, conceptos de diseño y herramientas para nuevos sustratos informáticos, y desarrollará métricas para comparar el rendimiento y la utilidad. Si tiene éxito, NAC demostrará la viabilidad de resolver problemas de computación desafiantes con mejoras de orden de magnitud sobre el estado de la técnica.

1.2.5 Imitar la biología puede conducir a una mejor comprensión de la biología

Aunque las aplicaciones de ingeniería pueden ser el resultado de la inspiración biológica, a veces esas aplicaciones son biomédicas. Por ejemplo, las redes neuronales artificiales se utilizan para identificar posibles sitios cancerosos en imágenes de rayos X. En tanto, los robots biomiméticos no solo se utilizan como bancos de pruebas para posibles aplicaciones de ingeniería, sino también como herramientas para que los biólogos comprendan mejor las complejas relaciones animal-ambiente. Un ejemplo de esto expresado se encuentra en relación con “RoboLobster” del MIT en la siguiente cita:

El principal resultado de estos estudios fue una sólida demostración de que los algoritmos tropotácticos de detección de concentración no podían explicar el comportamiento de seguimiento de plume-tracking en langostas... Así que nos vemos obligados a considerar otros algoritmos biológicamente factibles para encontrar una explicación razonable... Así nos reveló RoboLobster algo sobre el mundo de la langosta que antes solo habíamos sospechado: la necesidad de cambiar estrategias de rastreo entre diferentes regiones del penacho [Grass02]