Aplicaciones en las Ciencias de lo artificial

En esta ponencia se restringen las ciencias de lo artificial a los objetos o artefactos compuestos por elementos no vivientes o en los que esta característica se muestra con complejidad controlada. Si se hablase genéricamente de máquinas en lugar de artefactos, sería por referencia a máquinas artificiales, aún cuando en el diseño de éstas se intentase imitar las propiedades de las máquinas naturales (Atlan,79). Es ésta una Hipótesis para delimitar un terreno de trabajo, delimitación que bien sabemos borrosa y transitoria; borrosa como lo es la frontera entre lo vivo y lo no vivo y como lo es el mismo concepto de complejidad? transitoria, como corresponde a la históricamente movediza topografía de la ciencia. Asistimos ahora a un profundo impulso de cambio que se propaga abriendo caminos de comunicación entre los tres estratos de la ciencia: hombre-cultura/vida-naturaleza/física-química, a caballo del paradigma cibernético y sistémico -de "organización"(Morin, 73).

Automatic physical activity pattern recognition and meal intake modelling in type 1 diabetes for their inclusion in artificial pancreas systems

La diabetes comprende un conjunto de enfermedades metabólicas que se caracterizan por concentraciones de glucosa en sangre anormalmente altas. En el caso de la diabetes tipo 1 (T1D, por sus siglas en inglés), esta situación es debida a una ausencia total de secreción endógena de insulina, lo que impide a la mayoría de tejidos usar la glucosa. En tales circunstancias, se hace necesario el suministro exógeno de insulina para preservar la vida del paciente; no obstante, siempre con la precaución de evitar caídas agudas de la glucemia por debajo de los niveles recomendados de seguridad. Además de la administración de insulina, las ingestas y la actividad física son factores fundamentales que influyen en la homeostasis de la glucosa. En consecuencia, una gestión apropiada de la T1D debería incorporar estos dos fenómenos fisiológicos, en base a una identificación y un modelado apropiado de los mismos y de sus sorrespondientes efectos en el balance glucosa-insulina. En particular, los sistemas de páncreas artificial –ideados para llevar a cabo un control automático de los niveles de glucemia del paciente– podrían beneficiarse de la integración de esta clase de información. La primera parte de esta tesis doctoral cubre la caracterización del efecto agudo de la actividad física en los perfiles de glucosa. Con este objetivo se ha llevado a cabo una revisión sistemática de la literatura y meta-análisis que determinen las respuestas ante varias modalidades de ejercicio para pacientes con T1D, abordando esta caracterización mediante unas magnitudes que cuantifican las tasas de cambio en la glucemia a lo largo del tiempo. Por otro lado, una identificación fiable de los periodos con actividad física es un requisito imprescindible para poder proveer de esa información a los sistemas de páncreas artificial en condiciones libres y ambulatorias. Por esta razón, la segunda parte de esta tesis está enfocada a la propuesta y evaluación de un sistema automático diseñado para reconocer periodos de actividad física, clasificando su nivel de intensidad (ligera, moderada o vigorosa); así como, en el caso de periodos vigorosos, identificando también la modalidad de ejercicio (aeróbica, mixta o de fuerza). En este sentido, ambos aspectos tienen una influencia específica en el mecanismo metabólico que suministra la energía para llevar a cabo el ejercicio y, por tanto, en las respuestas glucémicas en T1D. En este trabajo se aplican varias combinaciones de técnicas de aprendizaje máquina y reconocimiento de patrones sobre la fusión multimodal de señales de acelerometría y ritmo cardíaco, las cuales describen tanto aspectos mecánicos del movimiento como la respuesta fisiológica del sistema cardiovascular ante el ejercicio. Después del reconocimiento de patrones se incorpora también un módulo de filtrado temporal para sacar partido a la considerable coherencia temporal presente en los datos, una redundancia que se origina en el hecho de que en la práctica, las tendencias en cuanto a actividad física suelen mantenerse estables a lo largo de cierto tiempo, sin fluctuaciones rápidas y repetitivas. El tercer bloque de esta tesis doctoral aborda el tema de las ingestas en el ámbito de la T1D. En concreto, se propone una serie de modelos compartimentales y se evalúan éstos en función de su capacidad para describir matemáticamente el efecto remoto de las concetraciones plasmáticas de insulina exógena sobre las tasas de eleiminación de la glucosa atribuible a la ingesta; un aspecto hasta ahora no incorporado en los principales modelos de paciente para T1D existentes en la literatura. Los datos aquí utilizados se obtuvieron gracias a un experimento realizado por el Institute of Metabolic Science (Universidad de Cambridge, Reino Unido) con 16 pacientes jóvenes. En el experimento, de tipo ‘clamp’ con objetivo variable, se replicaron los perfiles individuales de glucosa, según lo observado durante una visita preliminar tras la ingesta de una cena con o bien alta carga glucémica, o bien baja. Los seis modelos mecanísticos evaluados constaban de: a) submodelos de doble compartimento para las masas de trazadores de glucosa, b) un submodelo de único compartimento para reflejar el efecto remoto de la insulina, c) dos tipos de activación de este mismo efecto remoto (bien lineal, bien con un punto de corte), y d) diversas condiciones iniciales. ABSTRACT Diabetes encompasses a series of metabolic diseases characterized by abnormally high blood glucose concentrations. In the case of type 1 diabetes (T1D), this situation is caused by a total absence of endogenous insulin secretion, which impedes the use of glucose by most tissues. In these circumstances, exogenous insulin supplies are necessary to maintain patient’s life; although caution is always needed to avoid acute decays in glycaemia below safe levels. In addition to insulin administrations, meal intakes and physical activity are fundamental factors influencing glucose homoeostasis. Consequently, a successful management of T1D should incorporate these two physiological phenomena, based on an appropriate identification and modelling of these events and their corresponding effect on the glucose-insulin balance. In particular, artificial pancreas systems –designed to perform an automated control of patient’s glycaemia levels– may benefit from the integration of this type of information. The first part of this PhD thesis covers the characterization of the acute effect of physical activity on glucose profiles. With this aim, a systematic review of literature and metaanalyses are conduced to determine responses to various exercise modalities in patients with T1D, assessed via rates-of-change magnitudes to quantify temporal variations in glycaemia. On the other hand, a reliable identification of physical activity periods is an essential prerequisite to feed artificial pancreas systems with information concerning exercise in ambulatory, free-living conditions. For this reason, the second part of this thesis focuses on the proposal and evaluation of an automatic system devised to recognize physical activity, classifying its intensity level (light, moderate or vigorous) and for vigorous periods, identifying also its exercise modality (aerobic, mixed or resistance); since both aspects have a distinctive influence on the predominant metabolic pathway involved in fuelling exercise, and therefore, in the glycaemic responses in T1D. Various combinations of machine learning and pattern recognition techniques are applied on the fusion of multi-modal signal sources, namely: accelerometry and heart rate measurements, which describe both mechanical aspects of movement and the physiological response of the cardiovascular system to exercise. An additional temporal filtering module is incorporated after recognition in order to exploit the considerable temporal coherence (i.e. redundancy) present in data, which stems from the fact that in practice, physical activity trends are often maintained stable along time, instead of fluctuating rapid and repeatedly. The third block of this PhD thesis addresses meal intakes in the context of T1D. In particular, a number of compartmental models are proposed and compared in terms of their ability to describe mathematically the remote effect of exogenous plasma insulin concentrations on the disposal rates of meal-attributable glucose, an aspect which had not yet been incorporated to the prevailing T1D patient models in literature. Data were acquired in an experiment conduced at the Institute of Metabolic Science (University of Cambridge, UK) on 16 young patients. A variable-target glucose clamp replicated their individual glucose profiles, observed during a preliminary visit after ingesting either a high glycaemic-load or a low glycaemic-load evening meal. The six mechanistic models under evaluation here comprised: a) two-compartmental submodels for glucose tracer masses, b) a single-compartmental submodel for insulin’s remote effect, c) two types of activations for this remote effect (either linear or with a ‘cut-off’ point), and d) diverse forms of initial conditions.

Nagele: un nuevo asentamiento en un paisaje artificial

Nagele es un asentamiento urbano situado en el Noordoostpolder, territorio neerlandés ganado al mar. Fue diseñado por arquitectos de los grupos De 8 en Opbouw entre los que destacaron Rietveld, Van Eesteren, Van Eyck, Bakema, Stam y Ruys. El proyecto se desarrolló entre 1947 y 1956, un periodo de tiempo con formas de proyectar muy ricas en interpretaciones. Los arquitectos pusieron en crisis los planteamientos historicistas de las nuevas poblaciones de los pólderes. Propusieron un nuevo prototipo, una morfología compacta y concéntrica que transmitiría igualdad a una comunidad agrícola, entendida como una sociedad urbana del siglo XX. La administración apoyó la propuesta que convertiría el proyecto en un arriesgado reto por su falta de antecedentes. La vigencia de las formulaciones permanece hoy en día en la ciudad construida, aunque con alteraciones. En los dibujos del proceso se encuentran los principales enunciados teóricos que este trabajo pretende descubrir. El trabajo aborda aspectos no suficientemente explorados, como su relación con el pólder, la evolución de las estrategias proyectivas, la ordenación paisajista y los elementos urbanos. El Noordoostpolder es la culminación de una serie de experiencias multidisciplinares en el reclamo de tierras a gran escala. Se estudia su estructura urbana policéntrica, la parcelación agrícola que origina el proyecto urbano y la vinculación de la vegetación con la infraestructura, proporcionando orientación, protección climática y escala humana, conceptos que impregnan las estrategias del proyecto urbano. La primera fase de la ordenación configuró áreas monofuncionales que respondían a cada una de las cuatro necesidades básicas del método científico de la ciudad higienista. El acontecimiento que marcó el final de la primera fase fue su presentación en el séptimo CIAM de 1949, cuyo título fue Aplicación de la Carta de Atenas. El programa residencial se dividió en clusters organizados en torno a una pradera vecinal central, vinculándose el orden vecinal, urbano y territorial. La segunda fase fue un catalizador de nuevos planteamientos. El proyecto se transformó en un In-between Realm, un escenario teórico donde coexisten fenómenos tradicionalmente antagónicos que Van Eyck denominó Twin Phenomena, convirtiéndose la ciudad en una réplica formal de la ambivalencia de la mente humana. La indefinición espacial no programada en la propuesta anterior se transformó en un conjunto de espacios urbanos, con límites y dimensiones adaptados a la escala humana. El proyecto es anterior a la obra escrita de Van Eyck por lo que estimuló sus enunciados teóricos. Unas ideas también reconocidas en los tres CIAM posteriores en los que también se expuso el proyecto. El diseño paisajista se integra en el proyecto urbano desde sus orígenes. El límite se compone de una barrera boscosa que protege climáticamente, proporciona escala humana y control visual frente a las llanuras infinitas del pólder. Van Eyck sintetizó el proyecto como una habitación verde sin techo, afirmación que dilucida su equivalencia con el de un interior doméstico. Exteriormente la ciudad se convierte en una unidad autónoma del territorio. Interiormente, un sistema jerarquizado de vegetación vinculado a la arquitectura y la infraestructura constituye espacios urbanos de diferentes escalas. La propuesta fue transformada por Boer y Ruys en un nuevo espacio urbano único, no asimilando los conceptos anteriores. El proyecto y construcción de los primeros elementos urbanos consistió en un reparto de tareas a De 8 en Opbouw, hecho que estimula estudiar su relación con el proyecto urbano. La estructura policéntrica organiza las aulas de las escuelas de Van Eyck, las diferentes áreas confesionales del cementerio de Ruys y las unidades residenciales, diseñadas por Stam, Rietveld y Stam-Besse. Los Twin Phenomena alcanzan un acuerdo en el corredor comercial, diseñado por Bakema y Van der Broek. La generación de espacios dentro de otros aparece también en el cementerio, a través de una nueva barrera boscosa y en el sistema de pliegues del muro que configura la iglesia de Bakema y Van der Broek. El proyecto se vincula a un planteamiento holístico, mediante el que el diseño de cada uno de sus elementos tiene en cuenta las estrategias proyectivas del todo del cual forma parte, convirtiéndose, al igual que las obras de De Stijl, en parte de una composición infinita que acerca arte y diseño en la vida cotidiana de la sociedad. La diversidad generacional e ideológica de estos arquitectos convirtió el proyecto en un tablero de juego sobre el que se aplicaron diferentes formas de proyectar la ciudad, ubicando a Nagele en un punto de inflexión del Movimiento Moderno. ABSTRACT The research focuses on the Nagele project, a Dutch urban settlement located in the Noordoostpolder, a territory which was entirely reclaimed from the IJsselmeer lake. It was designed by a group of architects from the De 8 and Opbouw teams, the leading protagonists being Rietveld, Van Eesteren, Van Eyck, Bakema, Stam y Ruys. It was designed from 1947 to 1956, a fruitful period in urban planning. These architects questioned the traditionalist urban design applied to the new populations in the IJsselmeer polders. Facing their principles, the work group proposed a new prototype; a compact and concentric urban pattern to foster equality in a new community of farm labourers, which was recognized by the architects as a twentieth century urban society. The government supported their new proposals. The lack of implementation of the innovatory conceptual statements subjected the project into a high-risk challenge. However, in spite of these difficulties, the basic concepts remain though partially transformed, in the actual city. The project drawings reflect the principle concepts that this work aims to discover. Some approaches that have not been sufficiently studied are tackled in this thesis. Firstly, the project´s relationship with the polder. Secondly, the evolution of projective strategies during the period of urban planning, the landscape design and the design of urban elements. The Noordoostpolder is the culmination of a series of multi-disciplinary experiences in large scale land reclamation, whose polycentric urban structure and agricultural subdivision provide the framework of Nagele. Linking the vegetation to infrastructure fostered orientation, climate protection and human scale; strategies which were repeated, though on a smaller scale, in the actual city. The first phase of the project was composed of mono-functional urban areas which responded to each of the four basic human needs indicated by the scientific method of the functional city. The presentation of the project at the seventh CIAM in 1949 was the event which marked the end of the first phase of the planning. This congress was entitled Implementation of the Athens Charter. The residential program was divided into housing clusters surrounding a central prairie, a pattern which was related to its urban and territorial whole. The second phase of the plan was subjected to a new theoretical approach. The urban planning became an In-between Realm, a theoretical scenario where traditionally antagonistic concepts coexist. Van Eyck named these concepts Twin Phenomena. The city thus conceived of as a counterform of the ambivalence of the human mind where spatial indefinition in the previous proposals was transformed into a Bunch of Places with defined boundaries and dimensions, all of which reflecting human scale. The landscape design was integrated into the urban project from its inception. The limits consist of a green wind-barrier which not only provides climate protection but also provides human scale and visual control towards the unlimited plains of the polder. Van Eyck summarised the project as a green room without a roof. This statement elucidates its equivalence to a domestic interior. Outwardly, the city becomes an autonomous unit on the territory. Inwardly a hierarchical vegetation system is linked to architecture and infrastructure. Together, they configure different scales of urban spaces. The proposal was transformed by Boer and Ruys into a unique urban space without assimilating Van Eyck´s concepts. The study of the Nagele landscape project of Nagele and the writings of Van Eyck verify the fact that many of his theoretical foundations (In-between Realm, Twin Phenomena, Bunch of Places, Right Scale) can be applied not only to architecture and city but also to landscape design. The application of these principles led the Nagele project to become a counterform of Van Eyck´s thinking. The design and construction of the first urban elements involved a distribution of tasks to De 8 en Opbouw, which stimulated their relationship with the urban project. The polycentric structure organised the school classrooms outlined by Van Eyck, the different areas of the cemetery planned by Ruys and the housing clusters designed by Stam, Rietveld and Stam-Besse. The Twin Phenomena concept can be applied in Van der Broek´s shopping corridor. The concept space within another space is also implemented in the cemetery surrounded by a new green barrier, and in the church built by Van der Broek and Bakema, whose spaces are configured by a folding wall. The project takes a holistic approach, which considers the design of each element within the strategies of the whole, where they become parts of an infinite composition, as in the art works of De Stijl fostering art and design to ordinary people´s daily lives. The generational and ideological diversity of these architects turned the project into a game board on which different ways of planning the city were played, obtaining Nagele the distinction of being a turning point of Modernism.