– Se trata de la tercera versión de un dispositivo utilizado para comprender el funcionamiento de la retina, y el envío de señales entre el ojo y el cerebro: su desarrollo está basado en un tipo de computación denominada neuromórfica”.

– Los chips neuromórficos son el mecanismo computacional más próximo al funcionamiento de los sistemas biológicos y, de hecho, tienen el mismo modelo matemático que una neurona, explica Leonardo Campos, quien dirige la Unidad de Robótica del centro.

– Gracias a la integración de nuevas tarjetas de procesamiento, cámaras y una poderosa computadora en su hardware, los investigadores esperan que el aparato pueda ejecutar tareas similares a las del ojo humano, pero esta vez en tiempo real.

 Un robot con forma de araña, que integra en su hardware una computadora de última generación, cámaras de video para la captura de imágenes y chips capaces de replicar los sistemas biológicos de los seres humanos, es utilizado por científicos chilenos con el objetivo de comprender los complejos mecanismos de la retina.

El dispositivo es un proyecto del centro basal Ciencia & Vida, de la Universidad San Sebastián (perteneciente a la red de centros de la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo, ANID), impulsado por su Unidad de Robótica y su Laboratorio de Biología Computacional.

La iniciativa avanza en su tercera etapa, luego de dos prototipos desarrollados por un equipo conformado por el ingeniero Leonardo Campos y el neurocientífico computacional Dr. César Ravello. Su origen se encuentra en el desafío de contar con un hardware que permita probar en contextos físicos modelos computacionales basados en los circuitos de la retina.

La evolución del robot radica en la instalación de los denominados chips neuromórficos, cuya principal ventaja es conferir al dispositivo una forma más precisa de computar la información, similar al de un sistema biológico humano. El desarrollo de nuevas versiones aspira a replicar la complejidad de los circuitos que componen el aparato visual, tanto de animales como de seres humanos.

Estos chips neuromórficos se asemejan a cómo un sistema biológico procesa la información. En su hardware sería una especie de neurona fabricada de silicio y que tiene el mismo modelo matemático de una neurona real, es decir, copiando su funcionamiento lógico. Son chips diseñados para ejecutar los circuitos de la retina en tiempo real, sin necesidad de tener que hacer proyecciones o simulaciones”, explica Campos.

La última entrega del robot tiene dimensiones similares a las de un artefacto de uso doméstico: 30 centímetros de largo por 30 de ancho y 20 de profundidad cuando está apagado, y 40x40x20 al levantarse. Al disponer de patas”, el dispositivo tiene la capacidad de moverse en ambientes más complejos, por ejemplo, en una superficie terrestre irregular, con piedras o baches.

Leonardo Campos - robot araña

La línea de investigación que apoya el robot araña” abarca disciplinas como la neurociencia computacional y la inteligencia artificial, en particular el deep learning o aprendizaje profundo para, de esta manera, comprender cómo las neuronas a partir de sus conexiones y las redes que forman en el cerebro, dan origen al cómputo, es decir, a las distintas capacidades de procesamiento de datos.

Específicamente, nosotros nos enfocamos en el procesamiento sensorial. En base al conocimiento biológico, creamos modelos de cómo estarían funcionando las distintas partes del cerebro de un animal, relacionada con el procesamiento de señales, sobre todo visuales. Luego armamos estos modelos en el computador y el siguiente paso es ver qué capacidades surgen a partir de estas redes neuronales”, complementa el Dr. Ravello.

El campo de estudio que dirige este neurocientífico es la retina y su rol en la transformación de la luz en imágenes en el cerebro. Las exploraciones son parte de un desafío científico-tecnológico que aspira a diseñar modelos de aprendizaje profundo para describir cómo las neuronas emiten estas señales desde los ojos al cerebro y, además, comprender procesos que ocurren entre ambas regiones por medio de simulaciones computacionales.

Explorando la retina 

Las investigaciones del Dr. César Ravello en el laboratorio de Biología Computacional del centro basal Ciencia & Vida de la USS buscan, inicialmente, comprender los mecanismos visuales de los animales. Con el uso de modelos computacionales de inteligencia artificial, los científicos chilenos aspiran a obtener hallazgos que sirvan para diseñar un mecanismo computacional capaz de simular el ojo de un ser vivo y posteriormente instalarlo en un robot. 

Además del robot con forma de araña, la unidad también ha trabajado con un dron que sobrevoló la selva valdiviana, uno de los tres más poderosos que existen en Chile, para indagar los mecanismos de animales y aves nativos en su relación con el ecosistema.

Estas exploraciones tienen como finalidad la comprensión de procesos que ocurren entre el cerebro y el ojo a través de simulaciones computacionales.

Los modelos de IA de la retina son el punto de entrada al sistema nervioso central, afirma Ravello, pero para profundizar en su entendimiento se requieren de dispositivos físicos que hagan posible ponerlos a prueba en su interacción con el medio. Según explican los investigadores, en la retina existen neuronas que decodifican” señales externas, típicamente luces, las convierten en impulsos nerviosos y luego las transfieren a otras neuronas para crear representaciones más complejas de la realidad.

En el cerebro y el ojo de los seres vivos existen distintos elementos que pueden ser utilizados en distintas labores: por ejemplo, algunas neuronas captan movimientos, otras objetos oscuros y también están aquellas que funcionan a baja resolución espacial, pero son sensibles a cambios temporales. El objetivo es ir probando módulo a módulo para descubrir cuál de ellas sirve para determinado entorno o cómo evolucionaron este tipo de neuronas para permitirle al animal adaptarse y sobrevivir en esas condiciones”, explica el neurocientífico.

Allí es donde entran los robots –que ejecutan diversas tareas, aún elementales, tales como recorrer un laberinto o esquivar obstáculos– y también el uso de un área del conocimiento llamada computación neuromórfica”, un método de ingeniería informática en el que los elementos de una computadora se modelan a partir de los sistemas del cerebro y el sistema nervioso humanos.

Muchos de nuestros desarrollos se basan en conocimiento biológico, pero es súper difícil en este campo obtener datos experimentales de los seres humanos”.

Por eso se utilizan modelos animales, ojalá lo más próximo a los seres humanos, para trasladar luego ese aprendizaje. Por ejemplo, nosotros tenemos muchas más neuronas que un roedor, pero su funcionamiento es parecido. El conocimiento que logramos a partir de los datos de animales es, efectivamente, transformable para entender nuestro propio sistema visual”, puntualiza el Dr. Ravello. 

Computación neuromórfica

Las tres versiones del robot araña dan cuenta de la adopción de nuevas herramientas para el entendimiento de estos mecanismos. Su primera entrega, por ejemplo, solo podía ejecutar tareas básicas, como alejarse cuando percibía aglomeraciones, utilizando redes neuronales clásicas. Su primera evolución (la segunda del programa), que sigue operativa hasta hoy, integra algunas funcionalidades particulares de la retina para la detección de objetos. 

Hasta ahora, el proyecto de robots de superficie solo ha incursionado en espacios controlados, pero la evolución de sus capacidades, gracias a la integración de chips neuromórficos, hará posible explorar nuevos entornos en el futuro, según proyectan desde el centro Ciencia & Vida. El propósito de la computación neuromórfica es desarrollar sistemas electrónicos –tanto de hardware como de software– que dispongan de la capacidad procesar la información de una manera más eficiente, tanto como el propio cerebro.

Leonardo Campos detalla que la iniciativa comenzó con una computadora móvil de muy bajo consumo y menor capacidad de cómputo. Se trató de un hardware de características generales, enfocado en el manejo de información. A diferencia de esta primera aproximación, el uso de chips neuromórficos hace posible la realización de tareas mucho más específicas, similares a las que las neuronas de la retina desempeñan para múltiples acciones. 

Son los propios chips los que ejecutan o replican estas funcionalidades. Como referencia, pensemos en los teléfonos inteligentes. Estos vienen equipados con un procesador principal y varios procesadores pequeños, que son los encargados de llevar a cabo labores específicas: la cámara, el bluetooth o la batería. Entonces, los chips neuromórficos se acoplan a estos procesadores y hacen posible que cuando el usuario toma una foto reconozca su cara, ya que tienen una red neuronal entrenada para hacerlo”, comenta el ingeniero.

Robótica científica

Proyectos como el de la comprensión de la retina demuestran que la unidad de robótica juega un papel fundamental en proveer elementos tecnológicos para avanzar en estudios científicos en diversos laboratorios del centro basal Ciencia & Vida.

Campos detalla que su labor ayuda a crear soluciones específicas para los fines que persiguen cada uno de los investigadores, contribuyendo a optimizar costos y agilizando la logística respecto a si se hubiese importado desde el extranjero. La unidad cuenta, para ello, con herramientas avanzadas para la fabricación de circuitos electrónicos y piezas mecánicas: en el caso del robot, allí se elaboraron el chasis y las ruedas por medio de impresoras 3D o cortadoras altamente precisas. 

El concepto de robótica científica”, utilizado habitualmente para referirse a este tipo de desarrollos, aglutina varias disciplinas o ramas de la tecnología con el objetivo de diseñar máquinas programadas para realizar tareas de forma automática o simular el comportamiento humano o animal. La integración de la computación neuromórfica en esta dinámica viene a potenciar los resultados que podrían obtenerse con sistemas convencionales.

Las herramientas de informática y robótica permiten hacer muchos experimentos de forma simultánea e incluso en tiempo mayor al real, ya que pueden combinar sus aplicaciones físicas como las que tienen en el mundo virtual. El líder de la unidad de robótica destaca que el robot araña, gracias a la integración de múltiples tecnologías, atraviesa todos los eslabones de una investigación, pasando de la teoría a las aplicaciones físicas y computacionales de los circuitos neuronales.

Si en un escenario físico al robot le lleva media hora realizarlo, en el computador podemos hacerlo en cosa de minutos, porque no estamos restringidos por la física. Nos ayuda al diseño de tareas que luego vamos a probar físicamente en el robot. Es una estrategia mucho más eficiente de hacer experimentos, tanto en el mundo real como en entorno virtual”, concluye Ravello

Texto por: Luis Francisco Sandoval. Agencia Inés Llambías Comunicaciones.

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