Wireless communication enhancement methods for mobile robots in radiation environments

En entornos hostiles tales como aquellas instalaciones científicas donde la radiación ionizante es el principal peligro, el hecho de reducir las intervenciones humanas mediante el incremento de las operaciones robotizadas está siendo cada vez más de especial interés. CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, tiene alrededor de unos 50 km de superficie subterránea donde robots móviles controlador de forma remota podrían ayudar en su funcionamiento, por ejemplo, a la hora de llevar a cabo inspecciones remotas sobre radiación en los diferentes áreas destinados al efecto. No solo es preciso considerar que los robots deben ser capaces de recorrer largas distancias y operar durante largos periodos de tiempo, sino que deben saber desenvolverse en los correspondientes túneles subterráneos, tener en cuenta la presencia de campos electromagnéticos, radiación ionizante, etc. y finalmente, el hecho de que los robots no deben interrumpir el funcionamiento de los aceleradores. El hecho de disponer de un sistema de comunicaciones inalámbrico fiable y robusto es esencial para la correcta ejecución de las misiones que los robots deben afrontar y por supuesto, para evitar tales situaciones en las que es necesario la recuperación manual de los robots al agotarse su energía o al perder el enlace de comunicaciones. El objetivo de esta Tesis es proveer de las directrices y los medios necesarios para reducir el riesgo de fallo en la misión y maximizar las capacidades de los robots móviles inalámbricos los cuales disponen de almacenamiento finito de energía al trabajar en entornos peligrosos donde no se dispone de línea de vista directa. Para ello se proponen y muestran diferentes estrategias y métodos de comunicación inalámbrica. Teniendo esto en cuenta, se presentan a continuación los objetivos de investigación a seguir a lo largo de la Tesis: predecir la cobertura de comunicaciones antes y durante las misiones robotizadas; optimizar la capacidad de red inalámbrica de los robots móviles con respecto a su posición; y mejorar el rango operacional de esta clase de robots. Por su parte, las contribuciones a la Tesis se citan más abajo. El primer conjunto de contribuciones son métodos novedosos para predecir el consumo de energía y la autonomía en la comunicación antes y después de disponer de los robots en el entorno seleccionado. Esto es importante para proporcionar conciencia de la situación del robot y evitar fallos en la misión. El consumo de energía se predice usando una estrategia propuesta la cual usa modelos de consumo provenientes de diferentes componentes en un robot. La predicción para la cobertura de comunicaciones se desarrolla usando un nuevo filtro de RSS (Radio Signal Strength) y técnicas de estimación con la ayuda de Filtros de Kalman. El segundo conjunto de contribuciones son métodos para optimizar el rango de comunicaciones usando novedosas técnicas basadas en muestreo espacial que son robustas frente a ruidos de campos de detección y radio y que proporcionan redundancia. Se emplean métodos de diferencia central finitos para determinar los gradientes 2D RSS y se usa la movilidad del robot para optimizar el rango de comunicaciones y la capacidad de red. Este método también se valida con un caso de estudio centrado en la teleoperación háptica de robots móviles inalámbricos. La tercera contribución es un algoritmo robusto y estocástico descentralizado para la optimización de la posición al considerar múltiples robots autónomos usados principalmente para extender el rango de comunicaciones desde la estación de control al robot que está desarrollando la tarea. Todos los métodos y algoritmos propuestos se verifican y validan usando simulaciones y experimentos de campo con variedad de robots móviles disponibles en CERN. En resumen, esta Tesis ofrece métodos novedosos y demuestra su uso para: predecir RSS; optimizar la posición del robot; extender el rango de las comunicaciones inalámbricas; y mejorar las capacidades de red de los robots móviles inalámbricos para su uso en aplicaciones dentro de entornos peligrosos, que como ya se mencionó anteriormente, se destacan las instalaciones científicas con emisión de radiación ionizante. En otros términos, se ha desarrollado un conjunto de herramientas para mejorar, facilitar y hacer más seguras las misiones de los robots en entornos hostiles. Esta Tesis demuestra tanto en teoría como en práctica que los robots móviles pueden mejorar la calidad de las comunicaciones inalámbricas mediante la profundización en el estudio de su movilidad para optimizar dinámicamente sus posiciones y mantener conectividad incluso cuando no existe línea de vista. Los métodos desarrollados en la Tesis son especialmente adecuados para su fácil integración en robots móviles y pueden ser aplicados directamente en la capa de aplicación de la red inalámbrica. ABSTRACT In hostile environments such as in scientific facilities where ionising radiation is a dominant hazard, reducing human interventions by increasing robotic operations are desirable. CERN, the European Organization for Nuclear Research, has around 50 km of underground scientific facilities, where wireless mobile robots could help in the operation of the accelerator complex, e.g. in conducting remote inspections and radiation surveys in different areas. The main challenges to be considered here are not only that the robots should be able to go over long distances and operate for relatively long periods, but also the underground tunnel environment, the possible presence of electromagnetic fields, radiation effects, and the fact that the robots shall in no way interrupt the operation of the accelerators. Having a reliable and robust wireless communication system is essential for successful execution of such robotic missions and to avoid situations of manual recovery of the robots in the event that the robot runs out of energy or when the robot loses its communication link. The goal of this thesis is to provide means to reduce risk of mission failure and maximise mission capabilities of wireless mobile robots with finite energy storage capacity working in a radiation environment with non-line-of-sight (NLOS) communications by employing enhanced wireless communication methods. Towards this goal, the following research objectives are addressed in this thesis: predict the communication range before and during robotic missions; optimise and enhance wireless communication qualities of mobile robots by using robot mobility and employing multi-robot network. This thesis provides introductory information on the infrastructures where mobile robots will need to operate, the tasks to be carried out by mobile robots and the problems encountered in these environments. The reporting of research work carried out to improve wireless communication comprises an introduction to the relevant radio signal propagation theory and technology followed by explanation of the research in the following stages: An analysis of the wireless communication requirements for mobile robot for different tasks in a selection of CERN facilities; predictions of energy and communication autonomies (in terms of distance and time) to reduce risk of energy and communication related failures during missions; autonomous navigation of a mobile robot to find zone(s) of maximum radio signal strength to improve communication coverage area; and autonomous navigation of one or more mobile robots acting as mobile wireless relay (repeater) points in order to provide a tethered wireless connection to a teleoperated mobile robot carrying out inspection or radiation monitoring activities in a challenging radio environment. The specific contributions of this thesis are outlined below. The first sets of contributions are novel methods for predicting the energy autonomy and communication range(s) before and after deployment of the mobile robots in the intended environments. This is important in order to provide situational awareness and avoid mission failures. The energy consumption is predicted by using power consumption models of different components in a mobile robot. This energy prediction model will pave the way for choosing energy-efficient wireless communication strategies. The communication range prediction is performed using radio signal propagation models and applies radio signal strength (RSS) filtering and estimation techniques with the help of Kalman filters and Gaussian process models. The second set of contributions are methods to optimise the wireless communication qualities by using novel spatial sampling based techniques that are robust to sensing and radio field noises and provide redundancy features. Central finite difference (CFD) methods are employed to determine the 2-D RSS gradients and use robot mobility to optimise the communication quality and the network throughput. This method is also validated with a case study application involving superior haptic teleoperation of wireless mobile robots where an operator from a remote location can smoothly navigate a mobile robot in an environment with low-wireless signals. The third contribution is a robust stochastic position optimisation algorithm for multiple autonomous relay robots which are used for wireless tethering of radio signals and thereby to enhance the wireless communication qualities. All the proposed methods and algorithms are verified and validated using simulations and field experiments with a variety of mobile robots available at CERN. In summary, this thesis offers novel methods and demonstrates their use to predict energy autonomy and wireless communication range, optimise robots position to improve communication quality and enhance communication range and wireless network qualities of mobile robots for use in applications in hostile environmental characteristics such as scientific facilities emitting ionising radiations. In simpler terms, a set of tools are developed in this thesis for improving, easing and making safer robotic missions in hostile environments. This thesis validates both in theory and experiments that mobile robots can improve wireless communication quality by exploiting robots mobility to dynamically optimise their positions and maintain connectivity even when the (radio signal) environment possess non-line-of-sight characteristics. The methods developed in this thesis are well-suited for easier integration in mobile robots and can be applied directly at the application layer of the wireless network. The results of the proposed methods have outperformed other comparable state-of-the-art methods.

Percepción dispersa: Arquitectura y tactilidad en la sociedad de la comunicación

El tema de la tesis se centra en el pensamiento de Walter Benjamin y en el concepto de percepción distraída, desarrollado en el ensayo La obra de arte en la época de su reproducibilidad técnica (1936). El título percepción dispersa deriva de una profundización de los conceptos benjaminianos en términos lingüísticos, adoptando otros significados de la palabra distracción que relacionan este concepto a cuestiones de ámbito espacial y atmosférico. Benjamin sostiene que la arquitectura, en una época en la que se desarrollan y se difunden nuevas técnicas de reproducción/ comunicación, no se puede percibir solo de manera visual sino también táctil, interrelacionando la difusión de nuevas técnicas de reproducción, la tensión entre diferentes modalidades perceptivas y la arquitectura: según él, la dispersión de la vista a favor de la percepción táctil/háptica es un rasgo característico de una sociedad en la que se desarrollan y se difunden nuevas técnicas de reproducción. La tesis profundiza en estos temas, actualizando el concepto de distracción/dispersión para valorar las repercusiones de esta intuición en el ámbito de una parte de la producción arquitectónica contemporánea: se propone una contextualización histórica y una conceptual, relativas a los proyectos recientes de algunos de los autores que profundizan en el impacto de las nuevas tecnologías en el ámbito del proyecto de arquitectura. La hipótesis que se quiere demostrar es que se está desarrollando una tendencia que lleva proyectos o edificios de alto nivel tecnológico y informático desde un ámbito de (supuesto) predominio de la percepción visual, hasta una arquitectura que proporciona experiencias multisensoriales: espacios que se pueden medir con el movimiento, los músculos y el tacto, que desarrollan un conjunto de sensaciones táctiles/hápticas y no solo visuales. Finalmente se quiere verificar si, revertiendo siglos de evolución visual, la visión táctil y cercana siga siendo uno de los polos dialécticos que estructuran la experiencia de la arquitectura, como previsto por Benjamin hace 75 años. ABSTRACT The thesis focuses on the thought of Walter Benjamin and the concept of distracted perception, developed in the essay The Work of Art in the Age of Mechanical Reproduction (1936). The title derives from a linguistic approach to this concept which further explores the meaning of the word distraction, finally relating this kind of perception to spatial and atmospheric issues. Benjamin argues that architecture, thanks to the development of new reproduction/communication technologies, cannot be perceived exclusively in a visual way but also in a tactile way, interrelating new technologies of reproduction, perceptual modalities and architecture: according to him, the dispersion of the view in favor of tactile/ haptic perception is a fundamental characteristic of a technologically developed society. The thesis explores these issues, updating the concept of distraction/dispersion to assess its implications in the works of some architects that are exploring with their buildings the impact of new communication technologies in the field of architectural design. The hypothesis at the base of this work is that we are facing a new trend in this particular field: many of the most advanced buildings provide multisensory experience, and define spaces that can be better perceived with the sense of touch (haptic sense), going beyond a mere visual perception. Finally the thesis wants to verify if, reversing centuries of visual evolution, tactile and close vision remains one of the dialectical poles that stay at the base of the experience of architecture, as foreseen by Benjamin 75 years ago. ABSTRACT La tesi si basa sul pensiero di Walter Benjamin e sul concetto di percezione distratta, sviluppato nel saggio La opera d’arte nell’epoca della sua riproducibilità tecnica (1936). Il titolo, percezione dispersa, deriva da un approfondimento dei concetti benjaminiani in termini linguistici, adottando ulteriori significati della parola che il filosofo utilizza per indicare la distrazione e che relazionano questo termine a questioni di ambito spaziale ed atmosferico. Benjamin sostiene che l’architettura, in un’epoca nella quale si sviluppano e si diffondono nuove tecniche di riproduzione (o meglio: nuove tecnologie di comunicazione), non possa essere percepita solamente in maniera visuale, ma anche tattile, mettendo in relazione la diffusione di nuove tecnologie, la tensione tra differenti modalità percettive e l’architettura: secondo Benjamin, la dispersione della vista a favore di una ricezione tattile/aptica della realtà è una caratteristica tipica di quei momenti storici nei quali si manifestano grandi trasformazioni di ambito sociale e culturale dovute allo sviluppo di nuove tecnologie di comunicazione. La tesi approfondisce questi temi, aggiornando il concetto di distrazione/dispersione per valutarne le ripercussioni su una certa parte della produzione architettonica contemporanea: si propone una contestualizzazione storica ed una concettuale, relative ai progetti di alcuni architetti che lavorano da tempo sull’impatto delle nuove tecnologie nell’ambito del progetto di architettura. La ipotesi che si dimostra con questa tesi è che si sta sviluppando una contro-tendenza tattile, a seguito della quale molti degli edifici tecnologicamente ed informaticamente più avanzati strutturano la relazione con i propri utenti sulla base di esperienze multisensoriali, definendo spazi che possono essere percepiti attraverso una percezione aptica, piuttosto che visuale. In definitiva la tesi verifica che, superando secoli di evoluzione visuale, la visione tattile e ravvicinata e - più in generale - una percezione di tipo aptico continuano ad essere uno dei poli dialettici che strutturano l’esperienza dell’architettura, come previsto da Benjamin più di 75 anni fa.

Modeling the shape hierarchy for visually guided grasping

The monkey anterior intraparietal area (AIP) encodes visual information about three-dimensional object shape that is used to shape the hand for grasping. We modeled shape tuning in visual AIP neurons and its relationship with curvature and gradient information from the caudal intraparietal area (CIP). The main goal was to gain insight into the kinds of shape parameterizations that can account for AIP tuning and that are consistent with both the inputs to AIP and the role of AIP in grasping. We first experimented with superquadric shape parameters. We considered superquadrics because they occupy a role in robotics that is similar to AIP , in that superquadric fits are derived from visual input and used for grasp planning. We also experimented with an alternative shape parameterization that was based on an Isomap dimension reduction of spatial derivatives of depth (i.e., distance from the observer to the object surface). We considered an Isomap-based model because its parameters lacked discontinuities between similar shapes. When we matched the dimension of the Isomap to the number of superquadric parameters, the superquadric model fit the AIP data somewhat more closely. However, higher-dimensional Isomaps provided excellent fits. Also, we found that the Isomap parameters could be approximated much more accurately than superquadric parameters by feedforward neural networks with CIP-like inputs. We conclude that Isomaps, or perhaps alternative dimension reductions of visual inputs to AIP, provide a promising model of AIP electrophysiology data. Further work is needed to test whether such shape parameterizations actually provide an effective basis for grasp control.

The Future of the Technologies of Shell and spatial Structures. Bridges

The objective of this lecture is try to predict the future of this important type of spatial structures. In this way the activities of the different IASS Technical Working Groups can be stimulated and coordinated in order to play a more relevant role in this future. To grasp a possible evolution of bridges it is convenient a reflection on the bridge history and on their present situation, particularly in relation to the different existing achievements.

A computational model of the anterior intraparietal area

The monkey anterior intraparietal area (AIP) encodes visual information about three-dimensional object shape that is used to shape the hand for grasping. In robotics a similar role has been played by modules that fit point cloud data to the superquadric family of shapes and its various extensions. We developed a model of shape tuning in AIP based on cosine tuning to superquadric parameters. However, the model did not fit the data well, and we also found that it was difficult to accurately reproduce these parameters using neural networks with the appropriate inputs (modelled on the caudal intraparietal area, CIP). The latter difficulty was related to the fact that there are large discontinuities in the superquadric parameters between very similar shapes. To address these limitations we adopted an alternative shape parameterization based on an Isomap nonlinear dimension reduction. The Isomap was built using gradients and curvatures of object surface depth. This alternative parameterization was low-dimensional (like superquadrics), but data-driven (similar to an alternative clustering approach that is also sometimes used in robotics) and lacked large discontinuities. Isomaps with 16 or more dimensions reproduced the AIP data fairly well. Moreover, we found that the Isomap parameters could be approximated from CIP-like input much more accurately than the superquadric parameters. We conclude that Isomaps, or perhaps alternative dimension reductions of CIP signals, provide a promising model of AIP tuning. We have now started to integrate our model with a robot hand, to explore the efficacy of Isomap shape reductions in grasp planning. Future work will consider dynamics of spike responses and integration with related visual and motor area models.

An Ant Colony System adaptation to deal with accessibility issues after a disaster

One of the main problems relief teams face after a natural or man-made disaster is how to plan rural road repair work tasks to take maximum advantage of the limited available financial and human resources. Previous research focused on speeding up repair work or on selecting the location of health centers to minimize transport times for injured citizens. In spite of the good results, this research does not take into account another key factor: survivor accessibility to resources. In this paper we account for the accessibility issue, that is, we maximize the number of survivors that reach the nearest regional center (cities where economic and social activity is concentrated) in a minimum time by planning which rural roads should be repaired given the available financial and human resources. This is a combinatorial problem since the number of connections between cities and regional centers grows exponentially with the problem size, and exact methods are no good for achieving an optimum solution. In order to solve the problem we propose using an Ant Colony System adaptation, which is based on ants? foraging behavior. Ants stochastically build minimal paths to regional centers and decide if damaged roads are repaired on the basis of pheromone levels, accessibility heuristic information and the available budget. The proposed algorithm is illustrated by means of an example regarding the 2010 Haiti earthquake, and its performance is compared with another metaheuristic, GRASP.

Análisis de la eficiencia de los sistemas de colonias de hormigas para problemas de accesibilidad

A pesar de los avances en materia de predicción, los desastres naturales siguen teniendo consecuencias devastadoras. Entre los principales problemas a los que se enfrentan los equipos de ayuda y rescate después de un desastre natural o provocado por el hombre se encuentra la planificación de las tareas de reparación de carreteras para conseguir la máxima ventaja de los limitados recursos económicos y humanos. En la presente Tesis Fin de Máster se intenta dar solución al problema de la accesibilidad, es decir, maximizar el número de supervivientes que consiguen alcanzar el centro regional más cercano en un tiempo mínimo mediante la planificación de qué carreteras rurales deberían ser reparadas dados unos recursos económicos y humanos limitados. Como se puede observar, es un problema combinatorio ya que el número de planes de reparación y conexiones entre las ciudades y los centros regionales crece de forma exponencial con el tamaño del problema. Para la resolución del problema se comienza analizando una adaptación básica de los sistemas de colonias de hormigas propuesta por otro autor y se proponen múltiples mejoras sobre la misma. Posteriormente, se propone una nueva adaptación más avanzada de los sistemas de colonias de hormiga al problema, el ACS con doble hormiga. Este sistema hace uso de dos tipos distintos de hormigas, la exploradora y la trabajadora, para resolver simultáneamente el problema de encontrar los caminos más rápidos desde cada ciudad a su centro regional más cercano (exploradora), y el de obtener el plan óptimo de reparación que maximice la accesibilidad de la red (trabajadora). El algoritmo propuesto se ilustra por medio de un ejemplo de gran tamaño que simula el desastre natural ocurrido en Haití, y su rendimiento es comparado con la combinación de dos metaheurísticas, GRASP y VNS.---ABSTRACT---In spite of the advances in forecasting, natural disaster continue to ocasionate devastating consequences. One of the main problems relief teams face after a natural or man-made disaster is how to plan rural road repair work to take maximum advantage of the limited available financial and human resources. In this Master´s Final Project we account for the accesability issue, that is, to maximize the number of survivors that reach the nearest regional center in a minimum time by planning whic rural roads should be repaired given the limited financial and human resources. This is a combinatorial problem since the number of possible repairing solutions and connections between cities and regional centers grows exponentially with the size of the problem. In order to solve the problem, we analyze the basic ant colony system adaptation proposed by another author and point out multiple improvements on it. Then, we propose a novel and more advance adaptation of the ant colony systems to the problem, the double- ant ACS. This system makes use of two diferent type of ants, the explorer and the worker, to simultaneously solve the problem of finding the shorthest paths from each city to their nearest regional center (explorer), and the problem of identifying the optimal repairing plan that maximize the network accesability (worker). The proposed algorithm is illustrated by means of a big size example that simulates the natural disaster occurred in Haiti, and its performance is compared with a combination of two metaheuristics, GRASP and VNS.

A sensorless virtual slave control scheme for kinematically dissimilar master-slave teleoperation

The use of telerobotic systems is essential for remote handling (RH) operations in radioactive areas of scientific facilities that generate high doses of radiation. Recent developments in remote handling technology has seen a great deal of effort being directed towards the design of modular remote handling control rooms equipped with a standard master arm which will be used to separately control a range of different slave devices. This application thus requires a kinematically dissimilar master-slave control scheme. In order to avoid drag and other effects such as friction or other non-linear and unmodelled slave arm effects of the common position-position architecture in nonbackdrivable slaves, this research has implemented a force-position control scheme. End-effector force is derived from motor torque values which, to avoid the use of radiation intolerant and costly sensing devices, are inferred from motor current measurement. This has been demonstrated on a 1-DOF test-rig with a permanent magnet synchronous motor teleoperated by a Sensable Phantom Omni® haptic master. This has been shown to allow accurate control while realistically conveying dynamic force information back to the operator.

Volume Haptics and Dendritic Spine Editing

Esta tesis se ha desarrollado en el contexto del proyecto Cajal Blue Brain, una iniciativa europea dedicada al estudio del cerebro. Uno de los objetivos de esta iniciativa es desarrollar nuevos métodos y nuevas tecnologías que simplifiquen el análisis de datos en el campo neurocientífico. El presente trabajo se ha centrado en diseñar herramientas que combinen información proveniente de distintos canales sensoriales con el fin de acelerar la interacción y análisis de imágenes neurocientíficas. En concreto se estudiará la posibilidad de combinar información visual con información háptica. Las espinas dendríticas son pequeñas protuberancias que recubren la superficie dendrítica de muchas neuronas del cerebro. A día de hoy, se cree que tienen un papel clave en la transmisión de señales neuronales. Motivo por el cual, el interés por parte de la comunidad científica por estas estructuras ha ido en aumento a medida que las técnicas de adquisición de imágenes mejoraban hasta alcanzar una calidad suficiente para analizar dichas estructuras. A menudo, los neurocientíficos utilizan técnicas de microscopía con luz para obtener los datos que les permitan analizar estructuras neuronales tales como neuronas, dendritas y espinas dendríticas. A pesar de que estas técnicas ofrezcan ciertas ventajas frente a su equivalente electrónico, las técnicas basadas en luz permiten una menor resolución. En particular, estructuras pequeñas como las espinas dendríticas pueden capturarse de forma incorrecta en las imágenes obtenidas, impidiendo su análisis. En este trabajo, se presenta una nueva técnica, que permite editar imágenes volumétricas, mediante un dispositivo háptico, con el fin de reconstruir de los cuellos de las espinas dendríticas. Con este objetivo, en un primer momento se desarrolló un algoritmo que proporciona retroalimentación háptica en datos volumétricos, completando la información que provine del canal visual. Dicho algoritmo de renderizado háptico permite a los usuarios tocar y percibir una isosuperficie en el volumen de datos. El algoritmo asegura un renderizado robusto y eficiente. Se utiliza un método basado en las técnicas de “marching tetrahedra” para la extracción local de una isosuperficie continua, lineal y definida por intervalos. La robustez deriva tanto de una etapa de detección de colisiones continua de la isosuperficie extraída, como del uso de técnicas eficientes de renderizado basadas en un proxy puntual. El método de “marching tetrahedra” propuesto garantiza que la topología de la isosuperficie extraída coincida con la topología de una isosuperficie equivalente determinada utilizando una interpolación trilineal. Además, con el objetivo de mejorar la coherencia entre la información háptica y la información visual, el algoritmo de renderizado háptico calcula un segundo proxy en la isosuperficie pintada en la pantalla. En este trabajo se demuestra experimentalmente las mejoras en, primero, la etapa de extracción de isosuperficie, segundo, la robustez a la hora de mantener el proxy en la isosuperficie deseada y finalmente la eficiencia del algoritmo. En segundo lugar, a partir del algoritmo de renderizado háptico propuesto, se desarrolló un procedimiento, en cuatro etapas, para la reconstrucción de espinas dendríticas. Este procedimiento, se puede integrar en los cauces de segmentación automática y semiautomática existentes como una etapa de pre-proceso previa. El procedimiento está diseñando para que tanto la navegación como el proceso de edición en sí mismo estén controlados utilizando un dispositivo háptico. Se han diseñado dos experimentos para evaluar esta técnica. El primero evalúa la aportación de la retroalimentación háptica y el segundo se centra en evaluar la idoneidad del uso de un háptico como dispositivo de entrada. En ambos casos, los resultados demuestran que nuestro procedimiento mejora la precisión de la reconstrucción. En este trabajo se describen también dos casos de uso de nuestro procedimiento en el ámbito de la neurociencia: el primero aplicado a neuronas situadas en la corteza cerebral humana y el segundo aplicado a espinas dendríticas situadas a lo largo de neuronas piramidales de la corteza del cerebro de una rata. Por último, presentamos el programa, Neuro Haptic Editor, desarrollado a lo largo de esta tesis junto con los diferentes algoritmos ya mencionados. ABSTRACT This thesis took place within the Cajal Blue Brain project, a European initiative dedicated to the study of the brain. One of the main goals of this project is the development of new methods and technologies simplifying data analysis in neuroscience. This thesis focused on the development of tools combining information originating from distinct sensory channels with the aim of accelerating both the interaction with neuroscience images and their analysis. In concrete terms, the objective is to study the possibility of combining visual information with haptic information. Dendritic spines are thin protrusions that cover the dendritic surface of numerous neurons in the brain and whose function seems to play a key role in neural circuits. The interest of the neuroscience community toward those structures kept increasing as and when acquisition methods improved, eventually to the point that the produced datasets enabled their analysis. Quite often, neuroscientists use light microscopy techniques to produce the dataset that will allow them to analyse neuronal structures such as neurons, dendrites and dendritic spines. While offering some advantages compared to their electronic counterpart, light microscopy techniques achieve lower resolutions. Particularly, small structures such as dendritic spines might suffer from a very low level of fluorescence in the final dataset, preventing further analysis. This thesis introduces a new technique enabling the edition of volumetric datasets in order to recreate dendritic spine necks using a haptic device. In order to fulfil this objective, we first presented an algorithm to provide haptic feedback directly from volumetric datasets, as an aid to regular visualization. The haptic rendering algorithm lets users perceive isosurfaces in volumetric datasets, and it relies on several design features that ensure a robust and efficient rendering. A marching tetrahedra approach enables the dynamic extraction of a piecewise linear continuous isosurface. Robustness is derived using a Continuous Collision Detection step coupled with acknowledged proxy-based rendering methods over the extracted isosurface. The introduced marching tetrahedra approach guarantees that the extracted isosurface will match the topology of an equivalent isosurface computed using trilinear interpolation. The proposed haptic rendering algorithm improves the coherence between haptic and visual cues computing a second proxy on the isosurface displayed on screen. Three experiments demonstrate the improvements on the isosurface extraction stage as well as the robustness and the efficiency of the complete algorithm. We then introduce our four-steps procedure for the complete reconstruction of dendritic spines. Based on our haptic rendering algorithm, this procedure is intended to work as an image processing stage before the automatic segmentation step giving the final representation of the dendritic spines. The procedure is designed to allow both the navigation and the volume image editing to be carried out using a haptic device. We evaluated our procedure through two experiments. The first experiment concerns the benefits of the force feedback and the second checks the suitability of the use of a haptic device as input. In both cases, the results shows that the procedure improves the editing accuracy. We also report two concrete cases where our procedure was employed in the neuroscience field, the first one concerning dendritic spines in the human cortex, the second one referring to an ongoing experiment studying dendritic spines along dendrites of mouse cortical pyramidal neurons. Finally, we present the software program, Neuro Haptic Editor, that was built along the development of the different algorithms implemented during this thesis, and used by neuroscientists to use our procedure.

Metodología de Diseño y Análisis de Sistemas Teleoperados Considerando Dinámica No Lineal

Cuando la separación física entre el sistema local y remoto es relativamente corta, el retardo no es perceptible; sin embargo, cuando el manipulador local y el manipulador remoto se encuentran a una distancia lejana uno del otro, el retardo de tiempo ya no es insignificante e influye negativamente en la realización de la tarea. El retardo de tiempo en un sistema de control introduce un atraso de fase que a su vez degrada el rendimiento del sistema y puede causar inestabilidad. Los sistemas de teleoperación pueden sacar provecho de la posibilidad de estar presente en dos lugares simultáneamente, sin embargo, el uso de Internet y otras redes de conmutación de paquetes, tales como Internet2, impone retardos de tiempo variables, haciendo que los esquemas de control ya establecidos elaboren soluciones para hacer frente a inestabilidades causadas por estos retardos de tiempo variables. En este trabajo de tesis se presenta el modelado y análisis de un sistema de teloperación bilateral no lineal de n grados de libertad controlado por convergencia de estado. La comunicación entre el sitio local y remoto se realiza mediante un canal de comunicación con retardo de tiempo. El análisis presentado en este trabajo considera que el retardo puede ser constante o variable. Los principales objetivos de este trabajo son; 1) Desarrollar una arquitectura de control no lineal garantizando la estabilidad del sistema teleoperado, 2) Evaluar la estabilidad del sistema considerando el retardo en la comunicación, y 3) Implementación de los algoritmos desarrollados para probar el desempeño de los mismos en un sistema experimental de 3 grados de libertad. A través de la teoría de Estabilidad de Lyapunov y el funcional Lyapunov-Krasovskii, se demuestra que el sistema de lazo cerrado es asintóticamente estable. Estas conclusiones de estabilidad se han obtenido mediante la integración de la función de Lyapunov y aplicando el Lema de Barbalat. Se demuestra también que se logra sincronizar las posiciones del manipulador local y remoto cuando el operador humano no mueve el manipulador local y el manipulador remoto se mueve libremente. El esquema de control propuesto se ha validado mediante simulación y en forma experimental empleando un sistema de teleoperación real desarrollado en esta tesis doctoral y que consta de un un manipulador serie planar de tres grados de libertad, un manipulador local, PHANTOM Omni, el cual es un dispositivo haptico fabricado que consta de 3 grados de libertad (en fuerza) y que proporciona realimentación de fuerza en los ejes x,y,z. El control en tiempo real se ha diseñado usando el Sistema Operativo en Tiempo Real QuaRC de QUARC en el lado local y el Simulink Real-Time Windows TargetTM en el lado remoto. Para finalizar el resumen se destaca el impacto de esta tesis en el mundo científico a través de los resultados publicados: 2 artículos en revistas con índice de impacto , 1 artículo en una revista indexada en Sistemas, Cibernética e Informática, 7 artículos en congresos y ha obtenido un premio en la 9a. Conferencia Iberoamericana en Sistemas, Cibernética e Informática, 2010. ABSTRACT When the physical separation between the local and remote system is relatively short, the delay is not noticeable; however, when the local manipulator and the remote manipulator are at a far distance from each other, the time delay is no longer negligible and negatively influences the performance of the task. The time delay in a control system introduces a phase delay which in turn degrades the system performance and cause instability. Teleoperation systems can benefit from the ability to be in two places simultaneously, however, the use of Internet and other packet switched networks, such as Internet2, imposes varying time delays, making established control schemes to develop solutions to address these instabilities caused by different time delays. In this thesis work we present a modeling and analysis of a nonlinear bilateral teloperation system of n degrees of freedom controlled by state convergence strategy. Communication between the local and remote site is via a communication channel with time delay. The analysis presented in this work considers that the time-delay can be constant or variable. The main objectives of this work are; 1) Develop a nonlinear control schemes to ensure the stability of the teleoperated system, 2) Evaluate the system stability considering the delay in communication, and 3) Implementation of algorithms developed to test the performance of the teleoperation system in an experimental system of 3 degrees of freedom. Through the Theory of Stability of Lyapunov and the functional Lyapunov-Krasovskii, one demonstrates that the closed loop system is asymptotically stable.. The conclusions about stability were obtained by integration of the Lyapunov function and applying Barbalat Lemma. It further shows that the positions of the local and remote manipulator are synchronize when the human operator stops applying a constant force and the remote manipulator does not interact with the environment. The proposed control scheme has been validated by means of simulation and in experimental form using a developed system of real teleoperation in this doctoral thesis, which consists of a series planar manipulator of three degrees of freedom, a local manipulator, PHANTOM Omni, which is an haptic device that consists of 3 degrees of freedom (in force) and that provide feeback force in x-axis, and, z. The control in real time has been designed using the Operating system in Real time QuaRC of Quanser in the local side and the Simulink Real-Time Windows Target in the remote side. In order to finalize the summary, the highlights impact of this thesis in the scientific world are shows through the published results: 2 articles in Journals with impact factor, one article in a indexed Journal on Systemics, Cybernetics and Informatics, 7 articles in Conferences and has won an award in 9a. Conferencia Iberoamericana en Sistemas, Cibernética e Informática, 2010.

Haptically assisted connection procedure for the reconstruction of dendritic spines

Dendritic spines are thin protrusions that cover the dendritic surface of numerous neurons in the brain and whose function seems to play a key role in neural circuits. The correct segmentation of those structures is difficult due to their small size and the resulting spines can appear incomplete. This paper presents a four-step procedure for the complete reconstruction of dendritic spines. The haptically driven procedure is intended to work as an image processing stage before the automatic segmentation step giving the final representation of the dendritic spines. The procedure is designed to allow both the navigation and the volume image editing to be carried out using a haptic device. A use case employing our procedure together with a commercial software package for the segmentation stage is illustrated. Finally, the haptic editing is evaluated in two experiments; the first experiment concerns the benefits of the force feedback and the second checks the suitability of the use of a haptic device as input. In both cases, the results shows that the procedure improves the editing accuracy.

Especificaciones eMathTeacher, creación del Modelo Granular Lingüístico de la evaluación del aprendizaje humano, y diseño de sistemas que implementan estos conceptos

El concepto de algoritmo es básico en informática, por lo que es crucial que los alumnos profundicen en él desde el inicio de su formación. Por tanto, contar con una herramienta que guíe a los estudiantes en su aprendizaje puede suponer una gran ayuda en su formación. La mayoría de los autores coinciden en que, para determinar la eficacia de una herramienta de visualización de algoritmos, es esencial cómo se utiliza. Así, los estudiantes que participan activamente en la visualización superan claramente a los que la contemplan de forma pasiva. Por ello, pensamos que uno de los mejores ejercicios para un alumno consiste en simular la ejecución del algoritmo que desea aprender mediante el uso de una herramienta de visualización, i. e. consiste en realizar una simulación visual de dicho algoritmo. La primera parte de esta tesis presenta los resultados de una profunda investigación sobre las características que debe reunir una herramienta de ayuda al aprendizaje de algoritmos y conceptos matemáticos para optimizar su efectividad: el conjunto de especificaciones eMathTeacher, además de un entorno de aprendizaje que integra herramientas que las cumplen: GRAPHs. Hemos estudiado cuáles son las cualidades esenciales para potenciar la eficacia de un sistema e-learning de este tipo. Esto nos ha llevado a la definición del concepto eMathTeacher, que se ha materializado en el conjunto de especificaciones eMathTeacher. Una herramienta e-learning cumple las especificaciones eMathTeacher si actúa como un profesor virtual de matemáticas, i. e. si es una herramienta de autoevaluación que ayuda a los alumnos a aprender de forma activa y autónoma conceptos o algoritmos matemáticos, corrigiendo sus errores y proporcionando pistas para encontrar la respuesta correcta, pero sin dársela explícitamente. En estas herramientas, la simulación del algoritmo no continúa hasta que el usuario introduce la respuesta correcta. Para poder reunir en un único entorno una colección de herramientas que cumplan las especificaciones eMathTeacher hemos creado GRAPHs, un entorno ampliable, basado en simulación visual, diseñado para el aprendizaje activo e independiente de los algoritmos de grafos y creado para que en él se integren simuladores de diferentes algoritmos. Además de las opciones de creación y edición del grafo y la visualización de los cambios producidos en él durante la simulación, el entorno incluye corrección paso a paso, animación del pseudocódigo del algoritmo, preguntas emergentes, manejo de las estructuras de datos del algoritmo y creación de un log de interacción en XML. Otro problema que nos planteamos en este trabajo, por su importancia en el proceso de aprendizaje, es el de la evaluación formativa. El uso de ciertos entornos e-learning genera gran cantidad de datos que deben ser interpretados para llegar a una evaluación que no se limite a un recuento de errores. Esto incluye el establecimiento de relaciones entre los datos disponibles y la generación de descripciones lingüísticas que informen al alumno sobre la evolución de su aprendizaje. Hasta ahora sólo un experto humano era capaz de hacer este tipo de evaluación. Nuestro objetivo ha sido crear un modelo computacional que simule el razonamiento del profesor y genere un informe sobre la evolución del aprendizaje que especifique el nivel de logro de cada uno de los objetivos definidos por el profesor. Como resultado del trabajo realizado, la segunda parte de esta tesis presenta el modelo granular lingüístico de la evaluación del aprendizaje, capaz de modelizar la evaluación y generar automáticamente informes de evaluación formativa. Este modelo es una particularización del modelo granular lingüístico de un fenómeno (GLMP), en cuyo desarrollo y formalización colaboramos, basado en la lógica borrosa y en la teoría computacional de las percepciones. Esta técnica, que utiliza sistemas de inferencia basados en reglas lingüísticas y es capaz de implementar criterios de evaluación complejos, se ha aplicado a dos casos: la evaluación, basada en criterios, de logs de interacción generados por GRAPHs y de cuestionarios de Moodle. Como consecuencia, se han implementado, probado y utilizado en el aula sistemas expertos que evalúan ambos tipos de ejercicios. Además de la calificación numérica, los sistemas generan informes de evaluación, en lenguaje natural, sobre los niveles de competencia alcanzados, usando sólo datos objetivos de respuestas correctas e incorrectas. Además, se han desarrollado dos aplicaciones capaces de ser configuradas para implementar los sistemas expertos mencionados. Una procesa los archivos producidos por GRAPHs y la otra, integrable en Moodle, evalúa basándose en los resultados de los cuestionarios. ABSTRACT The concept of algorithm is one of the core subjects in computer science. It is extremely important, then, for students to get a good grasp of this concept from the very start of their training. In this respect, having a tool that helps and shepherds students through the process of learning this concept can make a huge difference to their instruction. Much has been written about how helpful algorithm visualization tools can be. Most authors agree that the most important part of the learning process is how students use the visualization tool. Learners who are actively involved in visualization consistently outperform other learners who view the algorithms passively. Therefore we think that one of the best exercises to learn an algorithm is for the user to simulate the algorithm execution while using a visualization tool, thus performing a visual algorithm simulation. The first part of this thesis presents the eMathTeacher set of requirements together with an eMathTeacher-compliant tool called GRAPHs. For some years, we have been developing a theory about what the key features of an effective e-learning system for teaching mathematical concepts and algorithms are. This led to the definition of eMathTeacher concept, which has materialized in the eMathTeacher set of requirements. An e-learning tool is eMathTeacher compliant if it works as a virtual math trainer. In other words, it has to be an on-line self-assessment tool that helps students to actively and autonomously learn math concepts or algorithms, correcting their mistakes and providing them with clues to find the right answer. In an eMathTeacher-compliant tool, algorithm simulation does not continue until the user enters the correct answer. GRAPHs is an extendible environment designed for active and independent visual simulation-based learning of graph algorithms, set up to integrate tools to help the user simulate the execution of different algorithms. Apart from the options of creating and editing the graph, and visualizing the changes made to the graph during simulation, the environment also includes step-by-step correction, algorithm pseudo-code animation, pop-up questions, data structure handling and XML-based interaction log creation features. On the other hand, assessment is a key part of any learning process. Through the use of e-learning environments huge amounts of data can be output about this process. Nevertheless, this information has to be interpreted and represented in a practical way to arrive at a sound assessment that is not confined to merely counting mistakes. This includes establishing relationships between the available data and also providing instructive linguistic descriptions about learning evolution. Additionally, formative assessment should specify the level of attainment of the learning goals defined by the instructor. Till now, only human experts were capable of making such assessments. While facing this problem, our goal has been to create a computational model that simulates the instructor’s reasoning and generates an enlightening learning evolution report in natural language. The second part of this thesis presents the granular linguistic model of learning assessment to model the assessment of the learning process and implement the automated generation of a formative assessment report. The model is a particularization of the granular linguistic model of a phenomenon (GLMP) paradigm, based on fuzzy logic and the computational theory of perceptions, to the assessment phenomenon. This technique, useful for implementing complex assessment criteria using inference systems based on linguistic rules, has been applied to two particular cases: the assessment of the interaction logs generated by GRAPHs and the criterion-based assessment of Moodle quizzes. As a consequence, several expert systems to assess different algorithm simulations and Moodle quizzes have been implemented, tested and used in the classroom. Apart from the grade, the designed expert systems also generate natural language progress reports on the achieved proficiency level, based exclusively on the objective data gathered from correct and incorrect responses. In addition, two applications, capable of being configured to implement the expert systems, have been developed. One is geared up to process the files output by GRAPHs and the other one is a Moodle plug-in set up to perform the assessment based on the quizzes results.

Desarrollo de tecnologías de telemanipulación con alto grado de escalado orientadas a la interacción hombre-robot en entornos nucleares

Esta tesis se centra en desarrollo de tecnologías para la interacción hombre-robot en entornos nucleares de fusión. La problemática principal del sector de fusión nuclear radica en las condiciones ambientales tan extremas que hay en el interior del reactor, y la necesidad de que los equipos cumplan requisitos muy restrictivos para poder aguantar esos niveles de radiación, magnetismo, ultravacío, temperatura... Como no es viable la ejecución de tareas directamente por parte de humanos, habrá que utilizar dispositivos de manipulación remota para llevar a cabo los procesos de operación y mantenimiento. En las instalaciones de ITER es obligatorio tener un entorno controlado de extrema seguridad, que necesita de estándares validados. La definición y uso de protocolos es indispensable para regir su buen funcionamiento. Si nos centramos en la telemanipulación con algo grado de escalado, surge la necesidad de definir protocolos para sistemas abiertos que permitan la interacción entre equipos y dispositivos de diversa índole. En este contexto se plantea la definición del Protocolo de Teleoperación que permita la interconexión entre dispositivos maestros y esclavos de distinta tipología, pudiéndose comunicar bilateralmente entre sí y utilizar distintos algoritmos de control según la tarea a desempeñar. Este protocolo y su interconectividad se han puesto a prueba en la Plataforma Abierta de Teleoperación (P.A.T.) que se ha desarrollado e integrado en la ETSII UPM como una herramienta que permita probar, validar y realizar experimentos de telerrobótica. Actualmente, este Protocolo de Teleoperación se ha propuesto a través de AENOR al grupo ISO de Telerobotics como una solución válida al problema existente y se encuentra bajo revisión. Con el diseño de dicho protocolo se ha conseguido enlazar maestro y esclavo, sin embargo con los niveles de radiación tan altos que hay en ITER la electrónica del controlador no puede entrar dentro del tokamak. Por ello se propone que a través de una mínima electrónica convenientemente protegida se puedan multiplexar las señales de control que van a través del cableado umbilical desde el controlador hasta la base del robot. En este ejercicio teórico se demuestra la utilidad y viabilidad de utilizar este tipo de solución para reducir el volumen y peso del cableado umbilical en cifras aproximadas de un 90%, para ello hay que desarrollar una electrónica específica y con certificación RadHard para soportar los enormes niveles de radiación de ITER. Para este manipulador de tipo genérico y con ayuda de la Plataforma Abierta de Teleoperación, se ha desarrollado un algoritmo que mediante un sensor de fuerza/par y una IMU colocados en la muñeca del robot, y convenientemente protegidos ante la radiación, permiten calcular las fuerzas e inercias que produce la carga, esto es necesario para poder transmitirle al operador unas fuerzas escaladas, y que pueda sentir la carga que manipula, y no otras fuerzas que puedan influir en el esclavo remoto, como ocurre con otras técnicas de estimación de fuerzas. Como el blindaje de los sensores no debe ser grande ni pesado, habrá que destinar este tipo de tecnología a las tareas de mantenimiento de las paradas programadas de ITER, que es cuando los niveles de radiación están en sus valores mínimos. Por otro lado para que el operador sienta lo más fielmente posible la fuerza de carga se ha desarrollado una electrónica que mediante el control en corriente de los motores permita realizar un control en fuerza a partir de la caracterización de los motores del maestro. Además para aumentar la percepción del operador se han realizado unos experimentos que demuestran que al aplicar estímulos multimodales (visuales, auditivos y hápticos) aumenta su inmersión y el rendimiento en la consecución de la tarea puesto que influyen directamente en su capacidad de respuesta. Finalmente, y en referencia a la realimentación visual del operador, en ITER se trabaja con cámaras situadas en localizaciones estratégicas, si bien el humano cuando manipula objetos hace uso de su visión binocular cambiando constantemente el punto de vista adecuándose a las necesidades visuales de cada momento durante el desarrollo de la tarea. Por ello, se ha realizado una reconstrucción tridimensional del espacio de la tarea a partir de una cámara-sensor RGB-D, lo cual nos permite obtener un punto de vista binocular virtual móvil a partir de una cámara situada en un punto fijo que se puede proyectar en un dispositivo de visualización 3D para que el operador pueda variar el punto de vista estereoscópico según sus preferencias. La correcta integración de estas tecnologías para la interacción hombre-robot en la P.A.T. ha permitido validar mediante pruebas y experimentos para verificar su utilidad en la aplicación práctica de la telemanipulación con alto grado de escalado en entornos nucleares de fusión. Abstract This thesis focuses on developing technologies for human-robot interaction in nuclear fusion environments. The main problem of nuclear fusion sector resides in such extreme environmental conditions existing in the hot-cell, leading to very restrictive requirements for equipment in order to deal with these high levels of radiation, magnetism, ultravacuum, temperature... Since it is not feasible to carry out tasks directly by humans, we must use remote handling devices for accomplishing operation and maintenance processes. In ITER facilities it is mandatory to have a controlled environment of extreme safety and security with validated standards. The definition and use of protocols is essential to govern its operation. Focusing on Remote Handling with some degree of escalation, protocols must be defined for open systems to allow interaction among different kind of equipment and several multifunctional devices. In this context, a Teleoperation Protocol definition enables interconnection between master and slave devices from different typologies, being able to communicate bilaterally one each other and using different control algorithms depending on the task to perform. This protocol and its interconnectivity have been tested in the Teleoperation Open Platform (T.O.P.) that has been developed and integrated in the ETSII UPM as a tool to test, validate and conduct experiments in Telerobotics. Currently, this protocol has been proposed for Teleoperation through AENOR to the ISO Telerobotics group as a valid solution to the existing problem, and it is under review. Master and slave connection has been achieved with this protocol design, however with such high radiation levels in ITER, the controller electronics cannot enter inside the tokamak. Therefore it is proposed a multiplexed electronic board, that through suitable and RadHard protection processes, to transmit control signals through an umbilical cable from the controller to the robot base. In this theoretical exercise the utility and feasibility of using this type of solution reduce the volume and weight of the umbilical wiring approximate 90% less, although it is necessary to develop specific electronic hardware and validate in RadHard qualifications in order to handle huge levels of ITER radiation. Using generic manipulators does not allow to implement regular sensors for force feedback in ITER conditions. In this line of research, an algorithm to calculate the forces and inertia produced by the load has been developed using a force/torque sensor and IMU, both conveniently protected against radiation and placed on the robot wrist. Scaled forces should be transmitted to the operator, feeling load forces but not other undesirable forces in slave system as those resulting from other force estimation techniques. Since shielding of the sensors should not be large and heavy, it will be necessary to allocate this type of technology for programmed maintenance periods of ITER, when radiation levels are at their lowest levels. Moreover, the operator perception needs to feel load forces as accurate as possible, so some current control electronics were developed to perform a force control of master joint motors going through a correct motor characterization. In addition to increase the perception of the operator, some experiments were conducted to demonstrate applying multimodal stimuli (visual, auditory and haptic) increases immersion and performance in achieving the task since it is directly correlated with response time. Finally, referring to the visual feedback to the operator in ITER, it is usual to work with 2D cameras in strategic locations, while humans use binocular vision in direct object manipulation, constantly changing the point of view adapting it to the visual needs for performing manipulation during task procedures. In this line a three-dimensional reconstruction of non-structured scenarios has been developed using RGB-D sensor instead of cameras in the remote environment. Thus a mobile virtual binocular point of view could be generated from a camera at a fixed point, projecting stereoscopic images in 3D display device according to operator preferences. The successful integration of these technologies for human-robot interaction in the T.O.P., and validating them through tests and experiments, verify its usefulness in practical application of high scaling remote handling at nuclear fusion environments.

Lo intermedio como lugar : lo intersticial, lo fronterizo y lo impreciso en la arquitectura contemporánea

1. Nuestra investigación se centra en el estudio de los “ámbitos o espacios intermedios” en momentos de la arquitectura contemporánea, en un período de transición entre finales de los años 80 y nuestros días. Pretendemos analizar cómo se presenta el ámbito intermedio en el objeto o lugar arquitectónico y su función o relación con el entorno cercano, desde el proyecto hasta su repercusión en la experiencia vivida. 2. El concepto de intermedio entendido como ámbito o espacio intersticial, fronterizo y ambivalente (o multivalente), atraviesa en la presente investigación el campo de la etimología, de la ciencia, del pensamiento y del arte, para detenerse en la arquitectura actual, llevándose a cabo una indagación concreta en el proceso de concepción, en la propuesta formal, espacial y funcional, así como en la percepción y demás experiencias o vivencias en el lugar arquitectónico. 3. En primer lugar nos proponemos estudiar y explorar el concepto de “intermedio” en sus características, funciones y ubicaciones dentro de la cultura contemporánea, detectando sus antecedentes culturales más importantes, para a continuación aplicarlo reflexivamente a obras significativas de arquitectura. La investigación se enfoca en la modalidad figural (imprecisa) de lo intermedio (en alusión al “figural” deleuziano), cuyas metáforas base son lo translúcido, la penumbra y la espuma, vinculadas al actual paradigma cultural de la complejidad (C. Jencks). A continuación se analizan las relaciones o implicaciones de dicha modalidad figural en obras de arquitectos como Eisenman, Holl, Tschumi, Ito, Fujimoto, Van Berkel y Bos, y Siza, comprobando su valor operativo y poniendo de manifiesto su sentido e importancia en la actualidad y en la disciplina. El estudio tiene como trasfondo el concepto de in-between de la obra de Eisenman, y utiliza conceptos de la filosofía del límite de Trías como algunos de sus principales fundamentos. 4. En cada una de las obras de arquitectura presentadas esta modalidad imprecisa se traduce en un ámbito o espacio intermedio figural específico. Son obras en las que real y virtual, matricial y objetual, arquitectura y territorio, existente y nuevo, colectivo e individual, social e íntimo, interior y exterior, y demás usos y funciones se entrelazan o funden. Son arquitecturas cuya geometría ya no se encuentra tan determinada por aspectos bi o tridimensionales del dibujo o de la construcción. A través de la manipulación de estas geometrías más o menos complejas, dinámicas e intersticiales, estas obras reflejan (o intuyen) las premisas del actual Zeitgeist: un cambio de esquemas de objetos a relaciones basado en un pensamiento más holístico, transdisciplinar, sistémico o complejo (E. Morin), y una nueva conciencia colectiva sobre la realidad que anuncia la crisis de la percepción, el cambio de paradigma y nuevos valores (F. Capra). Emerge otra forma de sentir y percibir el mundo, los lugares y los espacios, que poco a poco está cambiando el modo de pensar y dibujar la arquitectura, y consecuentemente de interaccionar con ella. 5. El sentido del espacio intermedio figural, emerge en las cada vez más complejas cualidades morfológico-espaciales y funcionales de una parte importante de la arquitectura actual. Arquitectura, geometría y tecnología informática están más entrelazadas que nunca, y de un modo más libre, para así poder indagar en nuevas formas de pensar y crear lugares en que los “espacios intermedios” que investigamos son un testimonio. El espacio arquitectónico se vuelve afectivo e interactivo, un lugar intermedio figural, formalizado por espacialidades intersticiales que parecen aludir a lo líquido, donde la forma es más matriz que configuración, el espacio más espacialidad que compartimiento, la función más versátil y multivalente que específica o autónoma, y la perplejidad, la imaginación y la evocación se entrecruzan y vuelven patentes. 6. La arquitectura de los lugares intermedios valora no solamente el “plano”, la “configuración” y la “transparencia”, sino sobre todo el “espacio” y la “relación” en sus interrelaciones con los usuarios y demás contextos. De la identidad a la relacionalidad, de la representación a la presentación, es una arquitectura que propone “otros espacios” que más que espacios son topografías y espacialidades intersticiales, de tensión, transición, transformación, relación, intercambio e interacción. Son lugares intermedios reales y virtuales, que se sirven tanto de la morfología como de la topología para conquistar nuevas espacialidades, pretendiendo salir de la estricta operación de “forming”/”morphing”/formación/”conformación” para explorar la de “spacing”/espaciamiento. Son lugares que se basan en conceptos como la zona de indiscernibilidad de Deleuze, la imagen- flujo de Buci-Glucksmann, la suspensión-entre de Sloterdijk, o el espacio no-objetivo al que se refiere José Gil, plasmándose en la arquitectura contemporánea como tropos de lo intersticial. 7. Son los lugares intermedios de la arquitectura actual, de espacialidad háptica, más “afectiva”, generativa e interactiva, donde ese ámbito intermedio transforma y es transformado, “afecta”, “con-mueve” (nos hace mover/accionar) y evoca otros lugares, otras posibilidades de espacio habitable u ocupable. Emerge lo intermedio como lugar, algo que anuncia y exhibe, de manera paradigmática y manifiesta, el monumento de Eisenman en Berlín. ABSTRACT 1. Our research focuses on the study of “in-between spaces or environments” at particular times in contemporary architecture, in a transition period from the end of the 1980’s through to today. We aim to analyse how in-between environments are presented in the architectural object or place and their function or their relationship with the nearby surroundings, from the project through to the experience had. 2. In this research, the in-between concept, understood as an interstitial, border and ambivalent (or multi-purpose) environment or space, is assessed from the viewpoint of etymology, science, thought and art, to conclude in current architecture, with specific exploration of the conception process, of the formal, spatial and functional proposal, together with the perception and other experiences in the architectural place. 3. Firstly, we aim to study and explore the “in-between” concept as regards its features, functions and locations within contemporary culture, revealing its most important cultural background, to then apply it reflexively to important works of architecture. The research focuses on the figural (imprecise) mode of in-between (in allusion to Deleuze’s “figural” approach) whose base metaphors are the translucent, semi-darkness and foam, linked to the current cultural paradigm of complexity (C. Jenks). We then go on to assess the relationships or implications of said figural mode in architectural works by Eisenman, Holl, Tschumi, Ito, Fujimoto, Van Berkel and Bos, and Siza, verifying their operational worth and revealing their meaning and importance today and in this discipline. The backdrop of the study is the in-between concept of Eisenman’s work and it also uses concepts from the philosophy of the limit of Trías as its main underpinnings. 4. In each of the architectural works presented, this imprecise mode is translated into a specific in-between environment or space. They are works in which real and virtual, matricial and objectual, architecture and territory, existing and new, collective and individual, social and intimate, interior and exterior and other uses and functions all intertwine or blend together. They are architectures the geometry of which is not so much determined by bi- or tri-dimensional aspects of the drawing or construction. Through the manipulation of these more or less complex, dynamic and interstitial geometries, these works reflect (or insinuate) the premises of the current Zeitgeist: A change in the scheme of objects to relationships towards a more holistic, transdisciplinary, systemic or complex thought (E. Morin), and a new collective conscience about the reality which announces the crisis of perception, the change in paradigm and new values (F. Capra). Another way of feeling and perceiving the world, places and spaces, which little by little is changing the way of thinking and drawing architecture and hence of interacting with it. 5. The meaning of figural in-between space emerges in the increasingly complex, morphological-spatial and functional qualities of a large part of architecture today. Architecture, geometry and computer technology are more than ever intertwined in a freer way to inquire into other ways of thinking and making places, where the “in-between” spaces we research are a testimony. Architectural space becomes affective and interactive, a figural in-between place, formed by interstitial spatiality which seems to allude to something liquid, where shape is more matrix than configuration, space more spatiality than compartment, its function more versatile and multi-purpose than specific or autonomous, and perplexity, imagination and evocation criss-cross each other, becoming obvious. 6. The architecture of in-between places values not only “flat”, “configuration” and “transparency”, but above all “space” and the “relationship” in its interrelations with users and other contexts. From identity to relationality, from representation to presentation, it is an architecture that proposes “other spaces”, which more than spaces are topographies and interstitial spatialities, of tension, transition, transformation, relation, exchange and interaction. They are real and virtual in-between places, that take in both morphology and topology to conquer new spatialities, aiming to depart from the strict “forming”/”morphing” operation in order to explore “spacing”. They are places that derive both from Deleuze’s indiscernibility zone concept, from Buci-Glucksmann´s image-flow concept, from Sloterdijk’s suspension-between, and from the non-objective space referred to by José Gil, and they are embodied in contemporary architecture as tropes of the interstitial. 7. They are the in-between places in architecture today, of haptic spatiality, more “affective”, generative and interactive, where that in-between environment transforms and is transformed, “affects”, “moves” (it makes us move/act) and evokes other places, other possibilities of habitable or occupiable space. The in-between emerges as a place, which paradigmatically and declaredly, Eisenman´s monument in Berlin announces and exhibits. RESUMO 1. A investigação centra-se no estudo dos “âmbitos ou espaços intermédios” em momentos da arquitectura contemporânea, no período de transição entre os finais dos anos 80 e os nossos dias. Pretende-se analisar como se apresenta o âmbito intermédio no objecto ou lugar arquitectónico e sua função ou relação com o meio envolvente, desde o projecto até à sua repercussão na experiencia vivenciada. 2. O conceito de intermédio entendido como âmbito ou espaço intersticial, fronteiriço e ambivalente (ou multivalente), atravessa na presente investigação o campo da etimologia, da ciência, do pensamento e da arte, para deter-se na arquitectura actual, realizando-se uma indagação concreta no processo de concepção, na proposta formal, espacial e funcional, assim como na percepção e demais experiencias ou vivencias no lugar arquitectónico. 3. Em primeiro lugar, explora-se o conceito de “intermédio” nas suas características, funções e concretizações na cultura contemporânea, detectando os seus antecedentes culturais mais importantes, para em seguida aplicá-lo reflexivamente a obras significativas de arquitectura. A investigação centra-se na modalidade figural (imprecisa) do intermédio (alusão ao figural deleuziano) cujas metáforas base são o translúcido, a penumbra e a espuma, relacionadas com o actual paradigma da complexidade (C. Jencks). Em seguida analisam-se as relações ou implicações da referida modalidade figural em obras de arquitectos como Eisenman, Holl, Tschumi, Ito, Fujimoto, Van Berkel e Bos, e Siza, como modo de comprovar o seu valor operativo e revelar o seu sentido e importância na actualidade e na disciplina. O estudo tem como referencia o conceito de in-between da obra de Eisenman, e utiliza conceitos da filosofia do limite de Trias como alguns dos seus principais fundamentos. 4. Em cada uma das obras de arquitectura apresentadas esta modalidade imprecisa traduz-se num âmbito ou espaço intermédia figural especifico. São obras nas quais real e virtual, matricial e objectual, arquitectura e território, existente e novo, colectivo e individual, social e intimo, interior e exterior, e outros usos e funções se entrelaçam ou fundem. São arquitecturas cuja geometria já não está tão determinada por aspectos bi ou tridimensionais do desenho ou da construção. Através do uso destas geometrias mais ou menos complexas, dinâmicas e intersticiais, estas obras reflectem (ou intuem) as premissas do actual zeitgeist: uma mudança de esquemas de objectos a relações para um pensamento mais holístico, transdisciplinar, sistémico ou complexo (E. Morin) e uma nova consciência colectiva sobre a realidade, que anuncia a crise da percepção, a mudança de paradigma e novos valores (F. Capra). Emerge uma outra forma de sentir e perceber o mundo, os lugares e os espaços, que gradualmente vai alterando o modo de pensar e desenhar a arquitectura, e consequentemente de interagir com ela. 5. O sentido do espaço intermédio figural, emerge nas cada vez mais complexas qualidades morfológico-espaciais e funcionais de uma parte importante da arquitectura actual. Cada vez mais, arquitectura, geometria e tecnologia informática, relacionam-se de um modo mais livre para indagar outras formas de pensar e fazer lugares, onde os espaços intermédios que investigamos são um testemunho. O espaço arquitectónico torna-se afectivo e interactivo, um lugar intermédio figural, formalizado por espacialidades intersticiais que parecem aludir ao estado liquido, onde a forma é mais matriz que configuração, o espaço mais espacialidade que compartimento, a função mais versátil e multivalente que especifica ou autónoma, e a perplexidade, a imaginação e a evocação entrecruzam-se e tornam-se patentes. 6. A arquitectura dos lugares intermédios valoriza não só o “plano”, a “configuração” e a “transparência”, mas sobretudo o” espaço” e a ”relação” nas suas inter-relações com os utentes e restante contextos. Da identidade à relacionalidade, da representação à apresentação, é uma arquitectura que propõe “outros espaços”, que além de espaços são topografias e espacialidades intersticiais, de tensão, transição, transformação, relação, intercambio e interacção. São lugares intermédios reais e virtuais que utilizam tanto a morfologia como a topologia para conquistar novas espacialidades, pretendendo ultrapassar a estrita operação de “forming”/“morphing”/formação para explorar a de “spacing”/espaçamento. São lugares que se apoiam tanto no conceito de zona de indescernibilidade de Deleuze, como na de imagem-fluxo de Buci-Glucksmann como no de suspensão–entre de Sloterdijk ou de espaço-não objectivo que refere José Gil, e se plasmam na arquitectura contemporânea como tropos do intersticial. 7. São os lugares intermédios da arquitectura actual, de espacialidade háptica, mais “afectiva”, generativa e interactiva, onde esse âmbito intermédio transforma e é transformado, “afecta”, ”co-move “(nos faz mover/agir) e evoca outros lugares, outras possibilidades de espaço habitável ou ocupável. Emerge o intermédio como lugar que, paradigmática e manifestamente, o monumento de Eisenmann em Berlim, anuncia e exibe.

Active materiality : the agency of matter from the phenomenological perspective = Materialidad activa : la operatividad de la materia desde el punto de vista fenomenológico

The role of matter has remained central to the making and the thinking of architecture, yet many attempts to capture its essence have been trapped in a dialectic tension between form and materiality, between material consistency and immaterial modes of perception, between static states and dynamic processes, between the real and the virtual, thus advancing an increasing awareness of the perplexing complexity of the material world. Within that complexity, the notion of agency – emerging from and within ecological, politico-economic and socio-cultural processes – calls for a reconceptualization of matter, and consequently processes of materialisation, offering a new understanding of context and space, approached as a field of dynamic relationships. In this context, cutting across boundaries between architectural discourse and practice as well as across the vast trans-disciplinary territory, this dissertation aims to illustrate a variety of design methodologies that have derived from the relational approach. More specifically, the intention is to offer new insights into spatial epistemologies embedded within the notion of atmosphere – commonly associated with the so-called New Phenomenology – and to reflect upon its implications for architectural production. In what follows, the intended argumentation has a twofold dimension. First, through a scrutiny of the notion of atmosphere, the aim is to explore ways of thinking and shaping reality through relations, thus acknowledging the aforementioned complexity of the material universe disclosed through human and non-human as well as material and immaterial forces. Secondly, despite the fact that concerns for atmospherics have flourished over the last few decades, the objective is to reveal that the conceptual foundations and procedures for the production of atmosphere might be found beneath the surface of contemporary debates. Hence, in order to unfold and illustrate previously advocated assumptions, an archaeological approach is adopted, tracing a particular projective genealogy, one that builds upon an atmospheric awareness. Accordingly, in tracing such an atmospheric awareness the study explores the notoriously ambiguous nature and the twofold dimension of atmosphere – meteorological and aesthetic – and the heterogeneity of meanings embedded in them. In this context, the notion of atmosphere is presented as parallactic. It transgresses the formal and material boundaries of bodies. It calls for a reevaluation of perceptual experience, opening a new gap that exposes the orthodox space-bodyenvironment relationships to questioning. It offers to architecture an expanded domain in which to manifest itself, defining architectural space as a contingent construction and field of engagement, and presenting matter as a locus of production/performance/action. Consequently, it is such an expanded or relational dimension that constitutes the foundation of what in the context of this study is to be referred to as affective tectonics. Namely, a tectonics that represents processual and experiential multiplicity of convergent time and space, body and environment, the material and the immaterial; a tectonics in which matter neither appears as an inert and passive substance, nor is limited to the traditionally regarded tectonic significance or expressive values, but is presented as an active element charged with inherent potential and vitality. By defining such a relational materialism, the intention is to expand the spectrum of material attributes revealing the intrinsic relationships between the physical properties of materials and their performative, transformative and affective capacities, including effects of interference and haptic dynamics – i.e. protocols of transmission and interaction. The expression that encapsulates its essence is: ACTIVE MATERIALITY RESUMEN El significado de la materia ha estado desde siempre ligado al pensamiento y el quehacer arquitectónico. Sin embargo, muchos intentos de capturar su esencia se han visto sumergidos en una tensión dialéctica entre la forma y la materialidad, entre la consistencia material y los modos inmateriales de la percepción, entre los estados estáticos y los procesos dinámicos, entre lo real y lo virtual, revelando una creciente conciencia de la desconcertante complejidad del mundo material. En esta complejidad, la noción de la operatividad o capacidad agencial– que emerge desde y dentro de los procesos ecológicos, políticos y socio-culturales– requiere de una reconceptualización de la materia y los procesos inherentes a la materialización, ofreciendo una nueva visión del contexto y el espacio, entendidos como un campo relacional dinámico. Oscilando entre el discurso arquitectónico y la práctica arquitectónica, y atravesando un extenso territorio trans-disciplinar, el objetivo de la presente tesis es ilustrar la variedad de metodologías proyectuales que emergieron desde este enfoque relacional. Concretamente, la intención es indagar en las epistemologías espaciales vinculadas a la noción de la atmósfera– generalmente asociada a la llamada Nueva Fenomenología–, reflexionando sobre su impacto en la producción arquitectónica. A continuación, el estudio ofrece una doble línea argumental. Primero, a través del análisis crítico de la noción de atmósfera, el objetivo es explorar maneras de pensar y dar forma a la realidad a través de las relaciones, reconociendo la mencionada complejidad del universo material revelado a través de fuerzas humanas y no-humanas, materiales e inmateriales. Segundo, a pesar de que el interés por las atmósferas ha florecido en las últimas décadas, la intención es demostrar que las bases conceptuales y los protocolos proyectuales de la creación de atmósferas se pueden encontrar bajo la superficie de los debates contemporáneos. Para corroborar e ilustrar estas hipótesis se propone una metodología de carácter arqueológico, trazando una particular genealogía de proyectos– la que se basa en una conciencia atmosférica. Asimismo, al definir esta conciencia atmosférica, el estudio explora tanto la naturaleza notoriamente ambigua y la dimensión dual de la atmósfera– meteorológica y estética–, como la heterogeneidad de significados derivados de ellas. En este contexto, la atmósfera se entiende como un concepto detonante, ya que sobrepasa los limites formales y materiales de los cuerpos, llevando a la re-evaluación de la experiencia perceptiva y abriendo a preguntas la ortodoxa relación espacio- cuerpo-ambiente. En consecuencia, la noción de la atmósfera ofrece a la arquitectura una dimensión expandida donde manifestarse, definiendo el espacio como una construcción contingente, performativa y afectiva, y presentando la materia como locus de producción/ actuación/ acción. Es precisamente esta dimensión expandida relacional la que constituye una base para lo que en el contexto del presente estudio se define como una tectónica afectiva. Es decir, una tectónica que representa una multiplicidad procesual y experiencial derivada de la convergencia entre el tiempo y el espacio, el cuerpo y el entorno, lo material y lo inmaterial; una tectónica en la que la materia no aparece como una substancia pasiva e inerte, ni es limitada al significado considerado tradicionalmente constructivo o a sus valores expresivos, sino que se presenta como elemento activo cargado de un potencial y vitalidad inherentes. A través de la definición de este tipo de materialismo afectivo, la intención es expandir el espectro de los atributos materiales, revelando las relaciones intrínsecas entre las propiedades físicas de los materiales y sus capacidades performativas, transformativas y afectivas, incluyendo efectos de interferencias y dinámicas hápticas– o dicho de otro modo, protocolos de transmisión e interacción. Una expresión que encapsula su esencia vendría a ser: MATERIALIDAD ACTIVA