Desarrollo de una Interfaz de sustitución sensorial para el estudio de la percepción del flujo vibrotáctil (retina táctil)

En el presente trabajo fin de máster se ha concebido, diseñado e utilizado una interfaz háptica, adecuada para ser utilizada como dispositivo de sustitución sensorial, la cual hemos llamado retina táctil. Por cuanto trata de proporcionar información propia del sentido de la vista a través del sentido del tacto. Durante este trabajo, que fue desarrollado en el grupo de robótica y cibernética CAR UPM-CSIC, se ha trabajado en estrecha colaboración con el departamento de la facultad de psicología de la universidad autónoma de Madrid, los cuales han definido las bases de la información de alto orden, como podrían ser, gradientes de intensidades de vibración, mediante las cuales el individuo llega a tener una mejor comprensión del ambiente. El proyecto maneja teorías psicológicas recientes, como las teorías ecológicas y dinámicas que entienden que la percepción se basa en variables informacionales de alto orden. Ejemplos de tales variables son el flujo óptico, gradientes de movimiento, gradientes de intensidades, cambios en gradientes, etc. Sorprendentemente, nuestra percepción visual es mucho más sensible a variables de alto orden que a variables de bajo orden, lo cual descarta que variables de alto orden se infieran o calculen en base a variables de bajo orden. La hipótesis que maneja la teoría ecológica es que las variables de alto orden se detectan como unidades básicas, sin descomponerlas en variables de bajo orden. Imaginemos el caso de un objeto acercándose, intuitivamente pensaríamos que calculamos la distancia y la velocidad del objeto para determinar el momento en el cual este nos impactaría, ¿pero es este realmente el modo en el que actúa nuestro cerebro?, ¿no seremos capaces en determinar directamente el tiempo de contacto como una variable de alto orden presente en el entorno?, por ejemplo, determinar directamente la relación entre el tamaño del objeto y la tasa de crecimiento. También cabe preguntarse si todas estas suposiciones son válidas para estimulaciónes a través de los receptores táctiles en la piel. El dispositivo desarrollado está conformado por 13 módulos cada uno de los cuales maneja 6 tactores o vibradores, para hacer un total de 78 vibradores (ampliables al agregar módulos adicionales), cada uno de los tactores tiene 8mm de diámetro y proporciona información del flujo óptico asociado al entorno que rodea al usuario a través de información táctil, él mismo puede ser utilizado inalámbricamente a pesar de que el procesamiento de los datos se este realizando en una computadora de mesa, lo cual es muy útil al trabajar con ambientes virtuales. También se presenta la integración de la interfaz con el sistema operativo de robots ROS para usarlo en conjunto con las librerías que han sido desarrolladas para el control de la cámara Microsoft Kinect con la cual se puede obtener una matriz de distancias de puntos en el espacio, permitiendo de esta manera utilizar la interfaz en ambientes reales. Finalmente se realizaron experimentos para comprobar hipótesis sobre la variable de percepción del tiempo de contacto además de verificar el correcto funcionamiento del dispositivo de sustitución sensorial tanto en ambientes reales como en ambientes simulados así como comprobar hipótesis sobre la validéz del uso del flujo vibrotáctil para la determinación del tiempo de contacto.

A new approach to a model of the mammalian retina with optically programmable logic cells

This paper reports a model of the mammalian retina as well as an interpretation of some functions of the visual cortex. Its main objective is to simulate some of the behaviors observed at the different retina cells depending on the characteristics of the light impinging onto the photoreceptors. This simulation is carried out with a simple structure employed previously as basic building block of some optical computer architectures. Its possibility to perform any type of Boolean function allows a wide range of behaviors.

A model of the mammalian retina and the visual cortex. Disorders of vision

A model of the mammalian retina and the behavior of the first layers in the visual cortex is reported. The building blocks are optically programmable logic cells. A model of the retina, similar to the one reported by Dowling (1987) is presented. From the model of the visual cortex obtained, some types of symmetries and asymmetries are possible to be detected

Image processing based on a model of the mammalian retina

A first study in order to construct a simple model of the mammalian retina is reported. The basic elements for this model are Optical Programmable Logic Cells, OPLCs, previously employed as a functional element for Optical Computing. The same type of circuit simulates the five types of neurons present in the retina. Different responses are obtained by modifying either internal or external connections. Two types of behaviors are reported: symmetrical and non-symmetrical with respect to light position. Some other higher functions, as the possibility to differentiate between symmetric and non-symmetric light images, are performed by another simulation of the first layers of the visual cortex. The possibility to apply these models to image processing is reported.

Unattended motion detection system based on the mammalian retina

Sensing systems in living bodies offer a large variety of possible different configurations and philosophies able to be emulated in artificial sensing systems. Motion detection is one of the areas where different animals adopt different solutions and, in most of the cases, these solutions reflect a very sophisticated form. One of them, the mammalian visual system, presents several advantages with respect to the artificial ones. The main objective of this paper is to present a system, based on this biological structure, able to detect motion, its sense and its characteristics. The configuration adopted responds to the internal structure of the mammalian retina, where just five types of cells arranged in five layers are able to differentiate a large number of characteristics of the image impinging onto it. Its main advantage is that the detection of these properties is based purely on its hardware. A simple unit, based in a previous optical logic cell employed in optical computing, is the basis for emulating the different behaviors of the biological neurons. No software is present and, in this way, no possible interference from outside affects to the final behavior. This type of structure is able to work, once the internal configuration is implemented, without any further attention. Different possibilities are present in the architecture to be presented: detection of motion, of its direction and intensity. Moreover, some other characteristics, as symmetry may be obtained.

Caracterización Dinámica de Partículas Magnéticas y su Uso en Aplicaciones Biomédicas

El uso de las partículas magnéticas ha venido a más durante los últimos 10 años. Lo anterior ha estado condicionado por factores como la amplia investigación en materiales a nivel atómico, los retos propuestos por las diferentes áreas de investigación donde los niveles nanométricos cobran importancia, la inherente innovación tecnológica que pueden aportar a la industria dichas escalas y finalmente, el impacto socioeconómico que pueden tener estos avances tecnológicos. Sin embargo, la traslación a la industria de los avances tecnológicos se ha visto limitada por la falta de estrategias, ya que el 88% del conocimiento se queda en Universidades y Centros de Investigación y el resto, 12%, pasa a la industria o es obtenido en ella. En este trabajo de investigación se ha tratado de completar el círculo de idea, conceptualización, generación de conocimiento, prototipo, prueba in vitro y prueba in vivo; todo ello para dejar el menor espacio posible entre Investigación e Industria. Se ha fabricado un recinto que permite la observación del comportamiento de las partículas magnéticas cuando están inmersas en un medio con viscosidad controlada y con una fuente magnética estática. De la observación experimental se han encontrado fenómenos magnéticos como la aglomeración y la autoorganización, que han sido aprovechados, no solo para ofrecer una solución alternativa a la corrección del desprendimiento de retina, sino también para promover las mejoras de métodos de separación y/o filtrado celular, ayuda en correcciones ortopédicas o en el diagnóstico y tratamiento de enfermedades degenerativas. Particularizando en la corrección del desprendimiento de retina, se ha desarrollado y patentado un Dispositivo Ocular cuya función es la de tapón del agujero retiniano, ayudando en la cicatrización de la retina. Dicho dispositivo ha sido evaluado en conejos albinos neozelandeses obteniéndose un éxito en la reaplicación de la retina del 80% y resultando su toxicidad en condición difusa tras evaluación anatomopatológica. Así mismo, el ferrofluido diseñado y fabricado se ha localizado en la zona de interacción magnética siempre y su disposición ha sido en el mayor de los casos en forma de placa pero también se han formado anillos; lo anterior no ha afectado en ningún sentido el éxito en la reaplicación de la retina. Por otro lado, no se han encontrado indicios de siderosis en la zona de interacción magnética, sus alrededores o el resto del globo ocular; ni las células han presentado apoptosis inducida por los materiales introducidos en el ojo. Sin embargo, se ha encontrado una fuerte necrosis inducida por la presión ejercida sobre la retina por el dispositivo ocular, evidenciando la necesidad de un mejor control de dicha presión. Tras la caracterización de los copos y la presión que éstos ejercen, se ha podido identificar que el dispositivo ocular se puede sintonizar para inducir una presión entre 0.5 y 2.5 mmHg; por tanto se puede vislumbrar que es posible minimizar la muerte celular causada en las células retinianas. Finalmente, tras la experimentación con conejos se ha observado que el dispositivo ocular resuelve los problemas inducidos por las siliconas o los gases e inclusive aporta ventajas competitivas de alto valor añadido como: no requerir de posiciones incómodas en el post-operatorio, no modifica las propiedades ópticas del ojo ya que no es necesario dejar silicona o gases en el interior del ojo, se pueden sellar múltiples agujeros retinianos, corrección de desprendimiento de retina inferior sin complicaciones asociadas, etc.; en definitiva mejora la calidad de vida domiciliaria del paciente además de solventar los problemas inducidos por las soluciones actuales. The using of magnetic particles has become more important during last 10 years. This event has been conditioned by several factors like a wide researching on materials at atomic level, the challenges proposed by different research areas where nanometric levels became important, the inherent technological innovation to the industry and finally, the socioeconomic impact of these kinds of technologies. However, the nanotechnological advances have not been well addressed to the industry since 88% of the acknowledge keeps on Universities and Research Centers, and the remaining 12% goes through the industry or is obtained in it. In this research work, we have tried to complete the entire process about idea, concept, acknowledge generation, prototyping and in vitro and in vivo testing; all to leave as little space as possible between Research and Industry. We have built an experimental hall which allows us the observation of magnetic particles' behavior when are immersing in a controlled viscous medium and under a static magnetic field. The experimental observation has been useful to identify and use two magnetic phenomena: agglomeration and self-organization; no only for retinal detachment, but also to improve cellular separation and/or filtered methods, orthopedic solutions or the diagnostic and treatment of degenerative diseases. Particularizing on retinal detachment, we have developed and patented an Ocular Device which its function is acting like a tampon of the retinal hole for helping with the scarring retina. The device has been evaluated in animals and the results show that we can achieve a success of 80% before rabbit’s death and non cell apoptosis, only necrosis, over the retina attached by the ocular device after anatomopathological evaluation. Also we have identified a diffuse toxicity after anatomopathological evaluation, so more experimenting must be proposed. Otherwise, the ferrofluid has been localized where the magnetic interaction area is located and its deposition has been in most cases plaque shape like but rings have also been observed; this has not affected in any way the successful reattachment of the retina. On the other hand, we have not found any evidence of siderosis in the magnetic interaction zone, near of or some other place of the ocular globe; and we did not find any apoptosis induced by the materials inserted within the eye. However full necrosis, exactly on the magnetic interaction zone, has been found and induced by the pressure exerted over the retina by the ocular device, evidencing the needing of its better control. After flakes’ characterization and its pressure exerted, we identified that the ocular device can be tuned in order to induce a pressure between 0.5 and 2.5 mmHg; therefore we can perceive that death caused to the retinal cells can be minimized. Finally, the experimentation has shown that the ocular device solves all problems induced by silicone or gases an even contributes with some other competitive advantages of high added value like: no uncomfortable postoperative positions, it does not modify any optical property of the eye because there is no needing of leaving silicone or gases inside the eye, many holes can be sealed, the inferior retinal detachment can be solve without any complications, etc.; definitively the ocular device improves patients’ quality of life.

Neural Processing Unit based on the Optical Bistable Properties of Semiconductor Laser Amplifiers

This paper analyzes the behavior of a neural processing unit based on the optical bistable properties of semiconductor laser amplifiers. A similar unit to the reported here was previously employed in the simulation of the mammalian retina. The main advantages of the present cell are its larger fan-out and the possibility of different responses according to the light wavelength impinging onto the cell. These properties allow to work with larger structures as well as to obtain different behaviors according to the light characteristics. This new approach gives a possible modeling closer to the real biological configurations. Moreover, a more detailed analysis of the basic cell internal behavior is reported

A model of amacrine and ganglion cells for optical information processing

Based on a previously reported logic cell structure (see SPIE, vol. 2038, p. 67-77, 1993), the two types of cells present at the inner and ganglion cell layers of the vertebrate retina and their intracellular response, as well as their connections with each other, have been simulated. These cells are amacrines and ganglion cells. The main scheme of the authors' configuration is shown in a figure. These two types of cells, as well as some of their possible interconnections, have been implemented with the authors' previously reported optical-processing element. As it has been shown, the authors' logic structure is able to process two optical input binary signals, being the output two logical functions. Moreover, if a delayed feedback from one of the two possible outputs to one or both of the inputs is introduced, a very different behaviour is obtained. Depending on the value of the time delay, an oscillatory output can be obtained from a constant optical input signal. Period and length pulses are dependent on delay values, both external and internal, as well as on other control signals. Moreover, a chaotic behaviour can be obtained too under certain conditions

Análisis de la aplicación de Soldadura de acero de calidad "A" mediante láser de Neodimio-YAG en construcción naval

El proceso de soldadura por láser desarrollado en los últimos años ha puesto de manifiesto las posibilidades de aplicación de esta tecnología en diferentes sectores productivos, principalmente en la industria automovilística, en la cual se han demostrado sus ventajas en términos de productividad, eficiencia y calidad. El uso de la tecnología láser, ya sea híbrida o pura, reduce el input térmico al limitar la zona afectada por el calor, sin crear deformaciones y, por tanto, disminuye los re-trabajos post-soldadura necesarios para eliminarlas. Asimismo, se aumenta la velocidad de soldadura, incrementando la productividad y calidad de las uniones. En la última década, el uso de láseres híbridos, (láser + arco) de gran potencia de Neodimio YAG, (Nd: YAG) ha sido cada vez más importante. La instalación de este tipo de fuentes de láser sólido de gran potencia ha sido posible en construcción naval debido a sus ventajas con respecto a las instalaciones de láser de C02 existentes en los astilleros que actualmente utilizan esta tecnología. Los láseres de C02 están caracterizados por su gran potencia y la transmisión del haz a través de espejos. En el caso de las fuentes de Nd:YAG, debido a la longitud de onda a la cual se genera el haz láser, su transmisión pueden ser realizada a través de fibra óptica , haciendo posible la utilización del cabezal láser a gran distancia de la fuente, aparte de la alternativa de integrar el cabezal en unidades robotizadas. El proceso láser distribuye el calor aportado de manera uniforme. Las características mecánicas de dichas uniones ponen de manifiesto la adecuación de la soldadura por láser para su uso en construcción naval, cumpliendo los requerimientos exigidos por las Sociedades de Clasificación. La eficiencia energética de los láseres de C02, con porcentajes superiores al 20%, aparte de las ya estudiadas técnicas de su instalación constituyen las razones por las cuales este tipo de láser es el más usado en el ámbito industrial. El láser de gran potencia de Nd: YAG está presente en el mercado desde hace poco tiempo, y por tanto, su precio es relativamente mayor que el de C02, siendo sus costes de mantenimiento, tanto de lámparas como de diodos necesarios para el bombeo del sólido, igualmente mayores que en el caso del C02. En cambio, el efecto de absorción de parte de la energía en el plasma generado durante el proceso no se produce en el caso del láser de Nd: YAG, utilizando parte de esa energía en estabilizar el arco, siendo necesaria menos potencia de la fuente, reduciendo el coste de la inversión. En función de la aplicación industrial, se deberá realizar el análisis de viabilidad económica correspondiente. Dependiendo de la potencia de la fuente y del tipo de láser utilizado, y por tanto de la longitud de onda a la que se propaga la radiación electromagnética, pueden existen riesgos para la salud. El láser de neodimio se propaga en una longitud de onda, relativamente cercana al rango visible, en la cual se pueden producir daños en los ojos de los operadores. Se deberán establecer las medidas preventivas para evitar los riesgos a los que están expuestos dichos operadores en la utilización de este tipo de energía. La utilización del láser de neodimio: YAG ofrece posibilidades de utilización en construcción naval económicamente rentables, debido su productividad y las buenas características mecánicas de las uniones. Abstract The laser welding process development of the last years shows broad application possibilities in many sectors of industry, mostly in automobile production. The advantages of the laser beam process produce higher productivity, increasing the quality and thermal efficiency. Laser technology, arc-hybrid or pure laser welding, reduces thermal input and thus a smaller heat-affected zone at the work piece. This means less weldment distortion which reduces the amount of subsequent post-weld straightening work that needs to be done. A higher welding speed is achieved by use of the arc and the laser beam, increasing productivity and quality of the joining process. In the last decade use of hybrid technology (laser-GMA hybrid method) with high power sources Nd:YAG lasers, gained in importance. The installation of this type of higher power solid state laser is possible in shipbuilding industrial applications due to its advantages compare with the C02 laser sources installed in the shipyards which use this technology. C02 lasers are characterised by high power output and its beam guidance is via inelastic system of mirrors. In the case of Nd:YAG laser, due to its wavelength, the laser beam can be led by means of a flexible optical fibre even across large distances, which allows three dimensional welding jobs by using of robots. Laser beam welding is a process during which the heat is transferred to the welded material uniformly and the features of the process fulfilled the requirements by Classification Societies. So that, its application to the shipbuilding industry should be possible. The high quantum efficiency of C02 laser, which enabled efficiency factors up to 20%, and relative simple technical possibilities of implementation are the reasons for the fact that it is the most important laser in industrial material machining. High power Nd: YAG laser is established on the market since short time, so that its price is relatively high compared with the C02 laser source and its maintenance cost, lamp or diode pumped solid state laser, is also higher than in the case of C02 lasers. Nevertheless effect of plasma shielding does not exist with Nd:YAG lasers, so that for the gas-shielding welding process the optimal gases can be used regarding arc stability, thus power source are saved and the costs can be optimised. Each industrial application carried out needs its cost efficiency analysis. Depending on the power output and laser type, the dangerousness of reflected irradiation, which even in some meters distance, affects for the healthy operators. For the YAG laser process safety arrangements must be set up in order to avoid the laser radiation being absorbed by the human eye. Due to its wavelength of radiation, being relatively close to the visible range, severe damage to the retina of the eye is possible if sufficient precautions are not taken. Safety aspects are of vital importance to be able to shield the operator as well as other personal. The use of Nd:YAG lasers offers interesting and economically attractive applications in shipbuilding industry. Higher joining rates are possible, and very good mechanical/technological parameters can be achieved.

A new method to analyse the perception of size

In living bodies, the correct perceptual representation of size constancy requires that an object's size appear the same when it changes its location with respect to the observer. At the same time, it is necessary that objects at different locations appear to be the same size if they are. In order to do that, the perceptual system must recover from the stimuli impinging on the individual, from the light falling on the retina, a representation of the relative sizes of objects in the environment. Moreover, at the same time, image perception is related to another type of phenomena. It corresponds to the well known perceptual illusions. To analyze this facts, we propose a system based on a particular arrays of receptive points composed by optical fibers and dummy fibers. The structure is based on the first layers of the mammalians primary visual cortex. At that part of the brain, the neurons located at certain columns, respond to particular directions. This orientation changes in a systematic way as one moves across the cortical surface. In our case, the signals from the above-mentioned array are analyzed and information concerning orientation and size of a particular line is obtained. With this system, the Muelle-Lyer illusion has been studied and some rules to interpret why equal length objects give rise to different interpretations are presented.

Image characterisation based on the mammalian visual cortex

A proposal for a model of the primary visual cortex is reported. It is structured with the basis of a simple unit cell able to perform fourteen pairs of different boolean functions corresponding to the two possible inputs. As a first step, a model of the retina is presented. Different types of responses, according to the different possibilities of interconnecting the building blocks, have been obtained. These responses constitute the basis for an initial configuration of the mammalian primary visual cortex. Some qualitative functions, as symmetry or size of an optical input, have been obtained. A proposal to extend this model to some higher functions, concludes the paper.

Fenómenos no lineales y caóticos en células lógicas

El objetivo del presente trabajo es el de presentar la situación actual de las posibles relaciones entre los comportamientos de las células lógicas, empleadas en Computación Óptica, y algunos comportamientos no lineales obtenidos en sistemas complejos. Como se mostrará, las arquitecturas empleadas en sistemas de cálculo, y más en concreto, las unidades básicas de que están compuestas, pueden dar lugar a situaciones no previstas de antemano y, como consecuencia, generar procesos ajenos a los inicialmente previstos. En concreto se mostrará como de una célula lógica, pueden obtenerse comportamientos caóticos. Este estudio se extenderá al análisis de redes neuronales biológicas y a su posible modelización con las anteriores técnicas. Como caso concreto de estudio se ofrecerá una simulación de la retina de los vertebrados, obtenida mediante las células lógicas presentadas anteriormente.

Some aspects of amacrine neuron simulation for motion detection

As it is known, there are five types of neurons in the mammalian retinal layer allowing the detection of several important characteristics of the visual image impinging onto the visual system, namely, photoreceptors, horizontal cells, amacrine, bipolar and ganglion cells. And it is a well known fact too, that the amacrine neuron architecture allows a first detection for objects motion, being the most important retinal cell to this function. We have already studied and simulated the Dowling retina model and we have verified that many complex processes in visual detection is performed with the basis of the amacrine cell synaptic connections. This work will show how this structure may be employed for motion detection

Photonic processing subsystem based on visual cortex architecture

Optical signal processing in any living being is more complex than the one obtained in artificial systems. Cortex architecture, although only partly known, gives some useful ideas to be employed in communications. To analyze some of these structures is the objective of this paper. One of the main possibilities reported is handling signals in a parallel way. As it is shown, according to the signal characteristics each signal impinging onto a single input may be routed to a different output. At the same time, identical signals, coming to different inputs, may be routed to the same output without internal conflicts. This is due to the change of some of their characteristics in the way out when going through the intermediate levels. The simulation of this architecture is based on simple logic cells. The basis for the proposed architecture is the five layers of the mammalian retina and the first levels of the visual cortex.