BaTboT: a biologically inspired flapping and morphing bat robot actuated by SMA-based artificial muscles

Bats are animals that posses high maneuvering capabilities. Their wings contain dozens of articulations that allow the animal to perform aggressive maneuvers by means of controlling the wing shape during flight (morphing-wings). There is no other flying creature in nature with this level of wing dexterity and there is biological evidence that the inertial forces produced by the wings have a key role in the attitude movements of the animal. This can inspire the design of highly articulated morphing-wing micro air vehicles (not necessarily bat-like) with a significant wing-to-body mass ratio. This thesis presents the development of a novel bat-like micro air vehicle (BaTboT) inspired by the morphing-wing mechanism of bats. BaTboT’s morphology is alike in proportion compared to its biological counterpart Cynopterus brachyotis, which provides the biological foundations for developing accurate mathematical models and methods that allow for mimicking bat flight. In nature bats can achieve an amazing level of maneuverability by combining flapping and morphing wingstrokes. Attempting to reproduce the biological wing actuation system that provides that kind of motion using an artificial counterpart requires the analysis of alternative actuation technologies more likely muscle fiber arrays instead of standard servomotor actuators. Thus, NiTinol Shape Memory Alloys (SMAs) acting as artificial biceps and triceps muscles are used for mimicking the morphing wing mechanism of the bat flight apparatus. This antagonistic configuration of SMA-muscles response to an electrical heating power signal to operate. This heating power is regulated by a proper controller that allows for accurate and fast SMA actuation. Morphing-wings will enable to change wings geometry with the unique purpose of enhancing aerodynamics performance. During the downstroke phase of the wingbeat motion both wings are fully extended aimed at increasing the area surface to properly generate lift forces. Contrary during the upstroke phase of the wingbeat motion both wings are retracted to minimize the area and thus reducing drag forces. Morphing-wings do not only improve on aerodynamics but also on the inertial forces that are key to maneuver. Thus, a modeling framework is introduced for analyzing how BaTboT should maneuver by means of changing wing morphology. This allows the definition of requirements for achieving forward and turning flight according to the kinematics of the wing modulation. Motivated by the biological fact about the influence of wing inertia on the production of body accelerations, an attitude controller is proposed. The attitude control law incorporates wing inertia information to produce desired roll (φ) and pitch (θ) acceleration commands. This novel flight control approach is aimed at incrementing net body forces (Fnet) that generate propulsion. Mimicking the way how bats take advantage of inertial and aerodynamical forces produced by the wings in order to both increase lift and maneuver is a promising way to design more efficient flapping/morphing wings MAVs. The novel wing modulation strategy and attitude control methodology proposed in this thesis provide a totally new way of controlling flying robots, that eliminates the need of appendices such as flaps and rudders, and would allow performing more efficient maneuvers, especially useful in confined spaces. As a whole, the BaTboT project consists of five major stages of development: - Study and analysis of biological bat flight data reported in specialized literature aimed at defining design and control criteria. - Formulation of mathematical models for: i) wing kinematics, ii) dynamics, iii) aerodynamics, and iv) SMA muscle-like actuation. It is aimed at modeling the effects of modulating wing inertia into the production of net body forces for maneuvering. - Bio-inspired design and fabrication of: i) skeletal structure of wings and body, ii) SMA muscle-like mechanisms, iii) the wing-membrane, and iv) electronics onboard. It is aimed at developing the bat-like platform (BaTboT) that allows for testing the methods proposed. - The flight controller: i) control of SMA-muscles (morphing-wing modulation) and ii) flight control (attitude regulation). It is aimed at formulating the proper control methods that allow for the proper modulation of BaTboT’s wings. - Experiments: it is aimed at quantifying the effects of properly wing modulation into aerodynamics and inertial production for maneuvering. It is also aimed at demonstrating and validating the hypothesis of improving flight efficiency thanks to the novel control methods presented in this thesis. This thesis introduces the challenges and methods to address these stages. Windtunnel experiments will be oriented to discuss and demonstrate how the wings can considerably affect the dynamics/aerodynamics of flight and how to take advantage of wing inertia modulation that the morphing-wings enable to properly change wings’ geometry during flapping. Resumen: Los murciélagos son mamíferos con una alta capacidad de maniobra. Sus alas están conformadas por docenas de articulaciones que permiten al animal maniobrar gracias al cambio geométrico de las alas durante el vuelo. Esta característica es conocida como (alas mórficas). En la naturaleza, no existe ningún especimen volador con semejante grado de dexteridad de vuelo, y se ha demostrado, que las fuerzas inerciales producidas por el batir de las alas juega un papel fundamental en los movimientos que orientan al animal en vuelo. Estas características pueden inspirar el diseño de un micro vehículo aéreo compuesto por alas mórficas con redundantes grados de libertad, y cuya proporción entre la masa de sus alas y el cuerpo del robot sea significativa. Esta tesis doctoral presenta el desarrollo de un novedoso robot aéreo inspirado en el mecanismo de ala mórfica de los murciélagos. El robot, llamado BaTboT, ha sido diseñado con parámetros morfológicos muy similares a los descritos por su símil biológico Cynopterus brachyotis. El estudio biológico de este especimen ha permitido la definición de criterios de diseño y modelos matemáticos que representan el comportamiento del robot, con el objetivo de imitar lo mejor posible la biomecánica de vuelo de los murciélagos. La biomecánica de vuelo está definida por dos tipos de movimiento de las alas: aleteo y cambio de forma. Intentar imitar como los murciélagos cambian la forma de sus alas con un prototipo artificial, requiere el análisis de métodos alternativos de actuación que se asemejen a la biomecánica de los músculos que actúan las alas, y evitar el uso de sistemas convencionales de actuación como servomotores ó motores DC. En este sentido, las aleaciones con memoria de forma, ó por sus siglas en inglés (SMA), las cuales son fibras de NiTinol que se contraen y expanden ante estímulos térmicos, han sido usados en este proyecto como músculos artificiales que actúan como bíceps y tríceps de las alas, proporcionando la funcionalidad de ala mórfica previamente descrita. De esta manera, los músculos de SMA son mecánicamente posicionados en una configuración antagonista que permite la rotación de las articulaciones del robot. Los actuadores son accionados mediante una señal de potencia la cual es regulada por un sistema de control encargado que los músculos de SMA respondan con la precisión y velocidad deseada. Este sistema de control mórfico de las alas permitirá al robot cambiar la forma de las mismas con el único propósito de mejorar el desempeño aerodinámico. Durante la fase de bajada del aleteo, las alas deben estar extendidas para incrementar la producción de fuerzas de sustentación. Al contrario, durante el ciclo de subida del aleteo, las alas deben contraerse para minimizar el área y reducir las fuerzas de fricción aerodinámica. El control de alas mórficas no solo mejora el desempeño aerodinámico, también impacta la generación de fuerzas inerciales las cuales son esenciales para maniobrar durante el vuelo. Con el objetivo de analizar como el cambio de geometría de las alas influye en la definición de maniobras y su efecto en la producción de fuerzas netas, simulaciones y experimentos han sido llevados a cabo para medir cómo distintos patrones de modulación de las alas influyen en la producción de aceleraciones lineales y angulares. Gracias a estas mediciones, se propone un control de vuelo, ó control de actitud, el cual incorpora información inercial de las alas para la definición de referencias de aceleración angular. El objetivo de esta novedosa estrategia de control radica en el incremento de fuerzas netas para la adecuada generación de movimiento (Fnet). Imitar como los murciélagos ajustan sus alas con el propósito de incrementar las fuerzas de sustentación y mejorar la maniobra en vuelo es definitivamente un tópico de mucho interés para el diseño de robots aéros mas eficientes. La propuesta de control de vuelo definida en este trabajo de investigación podría dar paso a una nueva forma de control de vuelo de robots aéreos que no necesitan del uso de partes mecánicas tales como alerones, etc. Este control también permitiría el desarrollo de vehículos con mayor capacidad de maniobra. El desarrollo de esta investigación se centra en cinco etapas: - Estudiar y analizar el vuelo de los murciélagos con el propósito de definir criterios de diseño y control. - Formular modelos matemáticos que describan la: i) cinemática de las alas, ii) dinámica, iii) aerodinámica, y iv) actuación usando SMA. Estos modelos permiten estimar la influencia de modular las alas en la producción de fuerzas netas. - Diseño y fabricación de BaTboT: i) estructura de las alas y el cuerpo, ii) mecanismo de actuación mórfico basado en SMA, iii) membrana de las alas, y iv) electrónica abordo. - Contro de vuelo compuesto por: i) control de la SMA (modulación de las alas) y ii) regulación de maniobra (actitud). - Experimentos: están enfocados en poder cuantificar cuales son los efectos que ejercen distintos perfiles de modulación del ala en el comportamiento aerodinámico e inercial. El objetivo es demostrar y validar la hipótesis planteada al inicio de esta investigación: mejorar eficiencia de vuelo gracias al novedoso control de orientación (actitud) propuesto en este trabajo. A lo largo del desarrollo de cada una de las cinco etapas, se irán presentando los retos, problemáticas y soluciones a abordar. Los experimentos son realizados utilizando un túnel de viento con la instrumentación necesaria para llevar a cabo las mediciones de desempeño respectivas. En los resultados se discutirá y demostrará que la inercia producida por las alas juega un papel considerable en el comportamiento dinámico y aerodinámico del sistema y como poder tomar ventaja de dicha característica para regular patrones de modulación de las alas que conduzcan a mejorar la eficiencia del robot en futuros vuelos.

BR3: a biologically inspired fish-like robot actuated by SMA-based artificial muscles

Los peces son animales, donde en la mayoría de los casos, son considerados como nadadores muy eficientes y con una alta capacidad de maniobra. En general los peces se caracterizan por su capacidad de maniobra, locomoción silencioso, giros y partidas rápidas y viajes de larga distancia. Los estudios han identificado varios tipos de locomoción que los peces usan para generar maniobras y natación constante. A bajas velocidades la mayoría de los peces utilizan sus aletas pares y / o impares para su locomoción, que ofrecen una mayor maniobrabilidad y mejor eficiencia de propulsión. A altas velocidades la locomoción implica el cuerpo y / o aleta caudal porque esto puede lograr un mayor empuje y aceleración. Estas características pueden inspirar el diseo y fabricación de una piel muy flexible, una aleta caudal mórfica y una espina dorsal no articulada con una gran capacidad de maniobra. Esta tesis presenta el desarrollo de un novedoso pez robot bio-inspirado y biomimético llamado BR3, inspirado en la capacidad de maniobra y nado constante de los peces vertebrados. Inspirado por la morfología de los peces Micropterus salmoides o también conocido como lubina negra, el robot BR3 utiliza su fundamento biológico para desarrollar modelos y métodos matemáticos precisos que permiten imitar la locomoción de los peces reales. Los peces Largemouth Bass pueden lograr un nivel increíble de maniobrabilidad y eficacia de la propulsión mediante la combinación de los movimientos ondulatorios y aletas morficas. Para imitar la locomoción de los peces reales en una contraparte artificial se necesita del análisis de tecnologías de actuación alternativos, como arreglos de fibras musculares en lugar de servo actuadores o motores DC estándar, así como un material flexible que proporciona una estructura continua sin juntas. Las aleaciones con memoria de forma (SMAs) proveen la posibilidad de construir robots livianos, que no emiten ruido, sin motores, sin juntas y sin engranajes. Asi es como un pez robot submarino se ha desarrollado y cuyos movimientos son generados mediante SMAs. Estos actuadores son los adecuados para doblar la espina dorsal continua del pez robot, que a su vez provoca un cambio en la curvatura del cuerpo. Este tipo de arreglo estructural está inspirado en los músculos rojos del pescado, que son usados principalmente durante la natación constante para la flexión de una estructura flexible pero casi incompresible como lo es la espina dorsal de pescado. Del mismo modo la aleta caudal se basa en SMAs y se modifica para llevar a cabo el trabajo necesario. La estructura flexible proporciona empuje y permite que el BR3 nade. Por otro lado la aleta caudal mórfica proporciona movimientos de balanceo y guiada. Motivado por la versatilidad del BR3 para imitar todos los modos de natación (anguilliforme, carangiforme, subcarangiforme y tunniforme) se propone un controlador de doblado y velocidad. La ley de control de doblado y velocidad incorpora la información del ángulo de curvatura y de la frecuencia para producir el modo de natación deseado y a su vez controlar la velocidad de natación. Así mismo de acuerdo con el hecho biológico de la influencia de la forma de la aleta caudal en la maniobrabilidad durante la natación constante se propone un control de actitud. Esta novedoso robot pescado es el primero de su tipo en incorporar sólo SMAs para doblar una estructura flexible continua y sin juntas y engranajes para producir empuje e imitar todos los modos de natación, así como la aleta caudal que es capaz de cambiar su forma. Este novedoso diseo mecatrónico presenta un futuro muy prometedor para el diseo de vehículos submarinos capaces de modificar su forma y nadar mas eficientemente. La nueva metodología de control propuesto en esta tesis proporcionan una forma totalmente nueva de control de robots basados en SMAs, haciéndolos energéticamente más eficientes y la incorporación de una aleta caudal mórfica permite realizar maniobras más eficientemente. En su conjunto, el proyecto BR3 consta de cinco grandes etapas de desarrollo: • Estudio y análisis biológico del nado de los peces con el propósito de definir criterios de diseño y control. • Formulación de modelos matemáticos que describan la: i) cinemática del cuerpo, ii) dinámica, iii) hidrodinámica iv) análisis de los modos de vibración y v) actuación usando SMA. Estos modelos permiten estimar la influencia de modular la aleta caudal y el doblado del cuerpo en la producción de fuerzas de empuje y fuerzas de rotación necesarias en las maniobras y optimización del consumo de energía. • Diseño y fabricación de BR3: i) estructura esquelética de la columna vertebral y el cuerpo, ii) mecanismo de actuación basado en SMAs para el cuerpo y la aleta caudal, iii) piel artificial, iv) electrónica embebida y v) fusión sensorial. Está dirigido a desarrollar la plataforma de pez robot BR3 que permite probar los métodos propuestos. • Controlador de nado: compuesto por: i) control de las SMA (modulación de la forma de la aleta caudal y regulación de la actitud) y ii) control de nado continuo (modulación de la velocidad y doblado). Está dirigido a la formulación de los métodos de control adecuados que permiten la modulación adecuada de la aleta caudal y el cuerpo del BR3. • Experimentos: está dirigido a la cuantificación de los efectos de: i) la correcta modulación de la aleta caudal en la producción de rotación y su efecto hidrodinámico durante la maniobra, ii) doblado del cuerpo para la producción de empuje y iii) efecto de la flexibilidad de la piel en la habilidad para doblarse del BR3. También tiene como objetivo demostrar y validar la hipótesis de mejora en la eficiencia de la natación y las maniobras gracias a los nuevos métodos de control presentados en esta tesis. A lo largo del desarrollo de cada una de las cinco etapas, se irán presentando los retos, problemáticas y soluciones a abordar. Los experimentos en canales de agua estarán orientados a discutir y demostrar cómo la aleta caudal y el cuerpo pueden afectar considerablemente la dinámica / hidrodinámica de natación / maniobras y cómo tomar ventaja de la modulación de curvatura que la aleta caudal mórfica y el cuerpo permiten para cambiar correctamente la geometría de la aleta caudal y del cuerpo durante la natación constante y maniobras. ABSTRACT Fishes are animals where in most cases are considered as highly manoeuvrable and effortless swimmers. In general fishes are characterized for his manoeuvring skills, noiseless locomotion, rapid turning, fast starting and long distance cruising. Studies have identified several types of locomotion that fish use to generate maneuvering and steady swimming. At low speeds most fishes uses median and/or paired fins for its locomotion, offering greater maneuverability and better propulsive efficiency At high speeds the locomotion involves the body and/or caudal fin because this can achieve greater thrust and accelerations. This can inspire the design and fabrication of a highly deformable soft artificial skins, morphing caudal fins and non articulated backbone with a significant maneuverability capacity. This thesis presents the development of a novel bio-inspired and biomimetic fishlike robot (BR3) inspired by the maneuverability and steady swimming ability of ray-finned fishes (Actinopterygii, bony fishes). Inspired by the morphology of the Largemouth Bass fish, the BR3 uses its biological foundation to develop accurate mathematical models and methods allowing to mimic fish locomotion. The Largemouth Bass fishes can achieve an amazing level of maneuverability and propulsive efficiency by combining undulatory movements and morphing fins. To mimic the locomotion of the real fishes on an artificial counterpart needs the analysis of alternative actuation technologies more likely muscle fiber arrays instead of standard servomotor actuators as well as a bendable material that provides a continuous structure without joins. The Shape Memory Alloys (SMAs) provide the possibility of building lightweight, joint-less, noise-less, motor-less and gear-less robots. Thus a swimming underwater fish-like robot has been developed whose movements are generated using SMAs. These actuators are suitable for bending the continuous backbone of the fish, which in turn causes a change in the curvature of the body. This type of structural arrangement is inspired by fish red muscles, which are mainly recruited during steady swimming for the bending of a flexible but nearly incompressible structure such as the fishbone. Likewise the caudal fin is based on SMAs and is customized to provide the necessary work out. The bendable structure provides thrust and allows the BR3 to swim. On the other hand the morphing caudal fin provides roll and yaw movements. Motivated by the versatility of the BR3 to mimic all the swimming modes (anguilliform, caranguiform, subcaranguiform and thunniform) a bending-speed controller is proposed. The bending-speed control law incorporates bend angle and frequency information to produce desired swimming mode and swimming speed. Likewise according to the biological fact about the influence of caudal fin shape in the maneuverability during steady swimming an attitude control is proposed. This novel fish robot is the first of its kind to incorporate only SMAs to bend a flexible continuous structure without joints and gears to produce thrust and mimic all the swimming modes as well as the caudal fin to be morphing. This novel mechatronic design is a promising way to design more efficient swimming/morphing underwater vehicles. The novel control methodology proposed in this thesis provide a totally new way of controlling robots based on SMAs, making them more energy efficient and the incorporation of a morphing caudal fin allows to perform more efficient maneuvers. As a whole, the BR3 project consists of five major stages of development: • Study and analysis of biological fish swimming data reported in specialized literature aimed at defining design and control criteria. • Formulation of mathematical models for: i) body kinematics, ii) dynamics, iii) hydrodynamics, iv) free vibration analysis and v) SMA muscle-like actuation. It is aimed at modelling the e ects of modulating caudal fin and body bend into the production of thrust forces for swimming, rotational forces for maneuvering and energy consumption optimisation. • Bio-inspired design and fabrication of: i) skeletal structure of backbone and body, ii) SMA muscle-like mechanisms for the body and caudal fin, iii) the artificial skin, iv) electronics onboard and v) sensor fusion. It is aimed at developing the fish-like platform (BR3) that allows for testing the methods proposed. • The swimming controller: i) control of SMA-muscles (morphing-caudal fin modulation and attitude regulation) and ii) steady swimming control (bend modulation and speed modulation). It is aimed at formulating the proper control methods that allow for the proper modulation of BR3’s caudal fin and body. • Experiments: it is aimed at quantifying the effects of: i) properly caudal fin modulation into hydrodynamics and rotation production for maneuvering, ii) body bending into thrust generation and iii) skin flexibility into BR3 bending ability. It is also aimed at demonstrating and validating the hypothesis of improving swimming and maneuvering efficiency thanks to the novel control methods presented in this thesis. This thesis introduces the challenges and methods to address these stages. Waterchannel experiments will be oriented to discuss and demonstrate how the caudal fin and body can considerably affect the dynamics/hydrodynamics of swimming/maneuvering and how to take advantage of bend modulation that the morphing-caudal fin and body enable to properly change caudal fin and body’ geometry during steady swimming and maneuvering.

Definición e implementación de métricas objetivas para la evaluación funcional del miembro superior: aplicación a población con lesión medular cervical

En personas que padecen una Lesión Medular cervical, la función de los miembros superiores se ve afectada en mayor o menor medida, dependiendo fundamentalmente del nivel de la lesión y de la severidad de la misma. El déficit en la función del miembro superior hace que la autonomía e independencia de las personas se vea reducida en la ejecución de Actividades de la Vida Diaria. En el entorno clínico, la valoración de la función del miembro superior se realiza principalmente con escalas clínicas. Algunas de ellas valoran el nivel de dependencia o independencia en la ejecución de Actividades de la Vida Diaria, como, por ejemplo, el índice de Barthel y la escala FIM (Medida de la Independencia Funcional). Otras escalas, como Jebsen-Taylor Hand Function, miden la función del miembro superior valorando la destreza y la habilidad en la ejecución de determinadas tareas funcionales. Estas escalas son generales, es decir, se pueden aplicar a distintas poblaciones de sujetos y a la presencia de distintas patologías. Sin embargo, existen otras escalas desarrolladas específicamente para valorar una patología concreta, con el objetivo de hacer las evaluaciones funcionales más sensibles a cambios. Un ejemplo es la escala Spinal Cord Independence Measure (SCIM), desarrollada para valorar Lesión Medular. Las escalas clínicas son instrumentos de medida estandarizados, válidos para su uso en el entorno clínico porque se han validado en muestras grandes de pacientes. No obstante, suelen poseer una elevada componente de subjetividad que depende principalmente de la persona que puntúa el test. Otro aspecto a tener en cuenta, es que la sensibilidad de las escalas es alta, fundamentalmente, a cambios groseros en el estado de salud o en la función del miembro superior, de forma que cambios sutiles en el sujeto pueden no ser detectados. Además, en ocasiones, poseen saturaciones en el sistema de puntuación, de forma que mejorías que se puedan producir por encima de un determinado umbral no son detectadas. En definitiva, estas limitaciones hacen que las escalas clínicas no sean suficientes, por sí mismas, para evaluar estrategias motoras del miembro superior durante la ejecución de movimientos funcionales, siendo necesaria la búsqueda de instrumentos de medida que aporten objetividad, complementen las valoraciones y, al mismo tiempo, intenten solventar las limitaciones que poseen las escalas. Los estudios biomecánicos son ejemplos de métodos objetivos, en los que diversas tecnologías se pueden utilizar para recoger información de los sujetos. Una concreción de estos estudios son los estudios cinemáticos. Mediante tecnología optoelectrónica, inercial o electromagnética, estos estudios proporcionan información objetiva acerca del movimiento realizado por los sujetos, durante la ejecución de tareas concretas. Estos sistemas de medida proporcionan grandes cantidades de datos que carecen de una interpretación inmediata. Estos datos necesariamente deben ser tratados y reducidos a un conjunto de variables que, a priori, posean una interpretación más sencilla para ser utilizados en la práctica clínica. Estas han sido las principales motivaciones de esta investigación. El objetivo principal fue proponer un conjunto de índices cinemáticos que, de forma objetiva, valoren la función del miembro superior; y validar los índices propuestos en poblaciones con Lesión Medular, para su uso como instrumentos de valoración en el entorno clínico. Esta tesis se enmarca dentro de un proyecto de investigación: HYPER (Hybrid Neuroprosthetic and Neurorobotic Devices for Functional Compensation and Rehabilitation of Motor Disorders, referencia CSD2009-00067 CONSOLIDER INGENIO 2010). Dentro de este proyecto se lleva a cabo investigación en el desarrollo de modelos, para determinar los requisitos biomecánicos y los patrones de movimiento de los miembros superiores en sujetos sanos y personas con lesión medular. Además, se realiza investigación en la propuesta de nuevos instrumentos de evaluación funcional en el campo de la rehabilitación de los miembros superiores. ABSTRACT In people who have suffered a cervical Spinal Cord Injury, upper limbs function is affected to a greater or lesser extent, depending primarily on the level of the injury and the severity of it. The deficit in the upper limb function reduces the autonomy and independence of persons in the execution of Activities of Daily Living. In the clinical setting, assessment of upper limb function is mainly performed based on clinical scales. Some value the level of dependence or independence in performing activities of daily living, such as the Barthel Index and the FIM scale (Functional Independence Measure). Other scales, such as the Jebsen-Taylor Hand Function, measure upper limb function in terms of the skill and ability to perform specific functional tasks. These scales are general, so can be applied to different populations of subjects and the presence of different pathologies. However, there are other scales developed for a specific injury, in order to make the functional assessments more sensitive to changes. An example is the Spinal Cord Independence Measure (SCIM), developed for people with Spinal Cord Injury. The clinical scales are standardized instruments measure, valid for use in the clinical setting because they have been validated in large patient samples. However, they usually have a high level of subjectivity which mainly depends on the person who scores the test. Another aspect to take into account is the high sensitivity of the scales mainly to gross changes in the health status or upper limb function, so that subtle changes in the subject may not be detected. Moreover, sometimes, have saturations in the scoring system, so that improvements which may occur above a certain threshold are not detected. For these reasons, clinical scales are not enough, by themselves, to assess motor strategies used during movements. So, it’s necessary to find measure instruments that provide objectivity, supplement the assessments and, at the same time, solving the limitations that scales have. Biomechanical studies are examples of objective methods, in which several technologies can be used to collect information from the subjects. One kind of these studies is the kinematic movement analysis. By means of optoelectronics, inertial and electromagnetic technology, these studies provide objective information about the movement performed by the subjects during the execution of specific tasks. These systems provide large quantities of data without easy and intuitive interpretation. These data must necessarily be treated and reduced to a set of variables that, a priori, having a simpler interpretation for their use in the clinical practice. These were the main motivations of this research. The main objective was to propose a set of kinematic indices, or metrics that, objectively, assess the upper limb function and validate the proposed rates in populations with Spinal Cord Injury, for use as assessment tools in the clinical setting. This dissertation is framed within a research project: HYPER (Neurorobotic Devices for Functional Compensation and Rehabilitation of Motor Disorders, grant CSD2009- 00067 CONSOLIDER INGENIO 2010). Within this research project, research is conducted in relation to the biomechanical models development for determining the biomechanical requirements and movement patterns of the upper limb in healthy and people with Spinal Cord Injury. Moreover, research is conducted with respect to the proposed of new functional assessment instruments in the field of upper limb rehabilitation.

Retardation of skeletal development and cervical abnormalities in transgenic mice expressing a dominant-negative retinoic acid receptor in chondrogenic cells

Skeletal formation is a fundamental element of body patterning and is strictly regulated both temporally and spatially by a variety of molecules. Among these, retinoic acid (RA) has been shown to be involved in normal skeletal development. However, its pleiotropic effects have caused difficulty in identifying its crucial target cells and molecular mechanisms for each effect. Development of cartilage primordia is an important process in defining the skeletal structures. To address the role of RA in skeletal formation, we have generated mice expressing a dominant-negative retinoic acid receptor (RAR) in chondrogenic cells by using the type II collagen α1 promoter, and we have analyzed their phenotypes. These mice exhibited small cartilage primordia during development and retarded skeletal formation in both embryonic and postnatal periods. They also showed selective degeneration in their cervical vertebrae combined with homeotic transformations, but not in their extremities. The cervical phenotypes are reminiscent of phenotypes involving homeobox genes. We found that the expression of Hoxa-4 was indeed reduced in the cartilage primordia of cervical vertebrae of embryonic day 12.5 embryos. These observations demonstrate that endogenous RA acts directly on chondrogenic cells to promote skeletal growth in both embryonic and growing periods, and it regulates the proper formation of cervical vertebrae. Furthermore, RA apparently specifies the identities of the cervical vertebrae through the regulation of homeobox genes in the chondrogenic cells. Great similarities of the phenotypes between our mice and reported RAR knockout mice revealed that chondrogenic cells are a principal RA target during complex cascades of skeletal development.

Rates of ubiquitin conjugation increase when muscles atrophy, largely through activation of the N-end rule pathway

The rapid loss of muscle mass that accompanies many disease states, such as cancer or sepsis, is primarily a result of increased protein breakdown in muscle, and several observations have suggested an activation of the ubiquitin–proteasome system. Accordingly, in extracts of atrophying muscles from tumor-bearing or septic rats, rates of 125I-ubiquitin conjugation to endogenous proteins were found to be higher than in control extracts. On the other hand, in extracts of muscles from hypothyroid rats, where overall proteolysis is reduced below normal, the conjugation of 125I-ubiquitin to soluble proteins decreased by 50%, and treatment with triiodothyronine (T3) restored ubiquitination to control levels. Surprisingly, the N-end rule pathway, which selectively degrades proteins with basic or large hydrophobic N-terminal residues, was found to be responsible for most of these changes in ubiquitin conjugation. Competitive inhibitors of this pathway that specifically block the ubiquitin ligase, E3α, suppressed most of the increased ubiquitin conjugation in the muscle extracts from tumor-bearing and septic rats. These inhibitors also suppressed ubiquitination in normal extracts toward levels in hypothyroid extracts, which showed little E3α-dependent ubiquitination. Thus, the inhibitors eliminated most of the differences in ubiquitination under these different pathological conditions. Moreover, 125I-lysozyme, a model N-end rule substrate, was ubiquitinated more rapidly in extracts from tumor-bearing and septic rats, and more slowly in those from hypothyroid rats, than in controls. Thus, the rate of ubiquitin conjugation increases in atrophying muscles, and these hormone- and cytokine-dependent responses are in large part due to activation of the N-end rule pathway.

Improved cervical smear assessment using antibodies against proteins that regulate DNA replication

Carcinoma of the cervix is one of the most common malignancies. Papanicolaou (Pap) smear tests have reduced mortality by up to 70%. Nevertheless their interpretation is notoriously difficult with high false-negative rates and frequently fatal consequences. We have addressed this problem by using affinity-purified antibodies against human proteins that regulate DNA replication, namely Cdc6 and Mcm5. These antibodies were applied to sections and smears of normal and diseased uterine cervix by using immunoperoxidase or immunofluorescence to detect abnormal precursor malignant cells. Antibodies against Cdc6 and Mcm5 stain abnormal cells in cervical smears and sections with remarkably high specificity and sensitivity. Proliferation markers Ki-67 and proliferating cell nuclear antigen are much less effective. The majority of abnormal precursor malignant cells are stained in both low-grade and high-grade squamous intraepithelial lesions. Immunostaining of cervical smears can be combined with the conventional Pap stain so that all the morphological information from the conventional method is conserved. Thus antibodies against proteins that regulate DNA replication can reduce the high false-negative rate of the Pap smear test and may facilitate mass automated screening.

Activation of p53 in cervical carcinoma cells by small molecules

In over 90% of cervical cancers and cancer-derived cell lines, the p53 tumor suppressor pathway is disrupted by human papillomavirus (HPV). The HPV E6 protein promotes the degradation of p53 and thus inhibits the stabilization and activation of p53 that would normally occur in response to HPV E7 oncogene expression. Restoration of p53 function in these cells by blocking this pathway should promote a selective therapeutic affect. Here we show that treatment with the small molecule nuclear export inhibitor, leptomycin B, and actinomycin D leads to the accumulation of transcriptionally active p53 in the nucleus of HeLa, CaSki, and SiHa cells. Northern blot analyses showed that both actinomycin D and leptomycin B reduced the amount of HPV E6-E7 mRNA whereas combined treatment with the drugs showed almost complete disappearance of the viral mRNA. The combined treatment activated p53-dependant transcription, and increases in both p21WAF1/CIP1 and Hdm2 mRNA were seen. The combined treatment resulted in apoptotic death in the cells, as evidenced by nuclear fragmentation and PARP-cleavage indicative of caspase 3 activity. These effects were greatly reduced by expressing a dominant negative p53 protein. The present study shows that small molecules can reactivate p53 in cervical carcinoma cells, and this reactivation is associated with an extensive biological response, including the induction of the apoptotic death of the cells.

Rapid induction of senescence in human cervical carcinoma cells

Expression of the bovine papillomavirus E2 regulatory protein in human cervical carcinoma cell lines repressed expression of the resident human papillomavirus E6 and E7 oncogenes and within a few days caused essentially all of the cells to synchronously display numerous phenotypic markers characteristic of cells undergoing replicative senescence. This process was accompanied by marked but in some cases transient alterations in the expression of cell cycle regulatory proteins and by decreased telomerase activity. We propose that the human papillomavirus E6 and E7 proteins actively prevent senescence from occurring in cervical carcinoma cells, and that once viral oncogene expression is extinguished, the senescence program is rapidly executed. Activation of endogenous senescence pathways in cancer cells may represent an alternative approach to treat human cancers.

Cytologically normal cells from neoplastic cervical samples display extensive structural abnormalities on IR spectroscopy: Implications for tumor biology

Fourier-transform IR (FT-IR) spectra of pelleted exfoliated cervical cells from patients with cervical cancer or dysplasia differ from those from normal women. To study the origin of these spectral changes, we obtained the FT-IR spectra of individual cervical cells from normal, dysplastic, and malignant cervical samples. Ninety five percent of normal superficial and intermediate cells displayed two distinct spectral patterns designated A and B, and 5% displayed an intermediate pattern, suggesting extensive structural heterogeneity among these cells. Parabasal and endocervical cells showed pattern B spectra. The spectra of malignant, dysplastic, and other abnormal cells also were characterized. Analysis of FT-IR spectra of over 2,000 individual cells from 10 normal females, 7 females with dysplasia, and 5 females with squamous cell carcinoma revealed that the spectra of normal-appearing intermediate and superficial cells of the cervix from women with either dysplasia or cancer differed from those of normal women. Chemometric and classical spectroscopic analysis showed a continuum of changes paralleling the transition from normalcy to malignancy. These findings suggest that (i) the structural changes underlying the spectroscopic changes are involved in or are a product of cervical carcinogenesis and (ii) the neoplastic process may be more extensive than currently recognized with morphological criteria. This approach may be useful for the structural study of neoplasia and also may be of help in the diagnosis or classification of cervical disorders.