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2022-10-03Moviéndose hacia la inteligencia artificial bioinspirada

MIT |Inspirándose en las medusas y los pulpos, el candidato a doctorado Juncal Arbelaiz investiga los fundamentos teóricos que permitirán que los sistemas se adapten de manera más eficiente a sus entornos.

Juncal Arbelaiz Mugica es originario de España, donde el pulpo es un elemento común del menú. Sin embargo, Arbelaiz aprecia a los pulpos y criaturas similares de una manera diferente, con su investigación en la teoría de la robótica blanda. 

Más de la mitad de los nervios de un pulpo se distribuyen a través de sus ocho brazos, cada uno de los cuales tiene cierto grado de autonomía. Este sistema distribuido de procesamiento de información y detección intrigó a Arbelaiz, quien está investigando cómo diseñar inteligencia descentralizada para sistemas creados por humanos con detección y computación integrados. En el MIT, Arbelaiz es una estudiante de matemáticas aplicadas que está trabajando en los fundamentos del control y la estimación distribuidos óptimos en las últimas semanas antes de completar su doctorado este otoño.

Ella encuentra inspiración en la inteligencia biológica de invertebrados como pulpos y medusas, con el objetivo final de diseñar estrategias de control novedosas para robots "suaves" flexibles que podrían usarse en entornos estrechos o delicados, como una herramienta quirúrgica o para búsqueda y -Misiones de rescate.

“La blandura de los robots blandos les permite adaptarse dinámicamente a diferentes entornos. Piensa en gusanos, serpientes o medusas y compara su capacidad de movimiento y adaptación con la de los animales vertebrados”, dice Arbelaiz. “Es una expresión interesante de inteligencia incorporada: la falta de un esqueleto rígido brinda ventajas a ciertas aplicaciones y ayuda a manejar la incertidumbre en el mundo real de manera más eficiente. Pero esta suavidad adicional también implica nuevos desafíos teóricos del sistema”.

En el mundo biológico, el "controlador" generalmente se asocia con el cerebro y el sistema nervioso central: crea comandos motores para que los músculos logren el movimiento. Las medusas y algunos otros organismos blandos carecen de un centro nervioso o cerebro centralizado. Inspirada por esta observación, ahora está trabajando en una teoría en la que los sistemas robóticos blandos podrían controlarse mediante el intercambio de información sensorial descentralizada.

“Cuando la detección y la actuación se distribuyen en el cuerpo del robot y las capacidades computacionales a bordo son limitadas, puede ser difícil implementar inteligencia centralizada”, dice. “Entonces, necesitamos este tipo de esquemas descentralizados que, a pesar de compartir información sensorial solo localmente, garanticen el comportamiento global deseado. Algunos sistemas biológicos, como las medusas, son hermosos ejemplos de arquitecturas de control descentralizado: la locomoción se logra en ausencia de un cerebro (centralizado). Esto es fascinante en comparación con lo que podemos lograr con máquinas hechas por humanos”.

Una transición fluida al MIT

Sus estudios de posgrado en la Universidad de Navarra en San Sebastián la llevaron a trabajar con el profesor John Bush del MIT en dinámica de fluidos. En 2015, invitó a Arbelaiz al MIT como estudiante visitante para investigar las interacciones de las gotas. Esto la llevó a su artículo de 2018 en Physical Review Fluids y a su búsqueda de un doctorado en el MIT.  

En 2018, su investigación doctoral se trasladó al Centro de Investigación del Sistema Sociotécnico interdisciplinario (SSRC), y ahora cuenta con el asesoramiento de Ali Jadbabaie , profesor de ingeniería de JR East y jefe del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental; y la Decana Asociada de la Escuela de Ingeniería, Anette “Peko” Hosoi , quien es la Profesora Neil y Jane Pappalardo de Ingeniería Mecánica, así como profesora de matemáticas aplicadas. Arbelaiz también trabaja regularmente con Bassam Bamieh, director asociado del Centro de Control, Sistemas Dinámicos y Computación de la Universidad de California en Santa Bárbara. Ella dice que trabajar con este equipo de asesores le da la libertad de explorar los proyectos de investigación multidisciplinarios a los que se ha sentido atraída durante los últimos cinco años.

Por ejemplo, utiliza enfoques teóricos de sistemas para diseñar nuevos controladores y estimadores óptimos para sistemas con dinámica espaciotemporal, y para obtener una comprensión fundamental de las topologías de comunicación de retroalimentación sensorial necesarias para controlar de manera óptima estos sistemas. Para las aplicaciones de robótica blanda, esto equivale a clasificar qué mediciones sensoriales son importantes para activar mejor cada uno de los "músculos" de este robot. ¿Se degradó el rendimiento del robot cuando cada actuador solo tiene acceso a las mediciones sensoriales más cercanas? Su investigación caracteriza tal compensación entre el rendimiento de circuito cerrado, la incertidumbre y la complejidad en sistemas espacialmente distribuidos. 

“Estoy decidida a cerrar la brecha entre la autonomía de las máquinas, la teoría de sistemas y la inteligencia biológica”, dice.

Siguiente capítulo

Una Beca de Ciencias Schmidt de dos años , que financia a jóvenes investigadores para realizar estudios posdoctorales en un campo diferente al de su trabajo de posgrado, permitirá a Arbelaiz explorar más a fondo la intersección de la inteligencia biológica y de las máquinas después de graduarse. 

Planea pasar su tiempo de postdoctorado en la Universidad de Princeton con la profesora Naomi Leonard y trabajar con investigadores en biología de sistemas, ciencias de la computación y robótica para explorar la confiabilidad y solidez de conjuntos biológicos y artificiales. Específicamente, está interesada en aprender cómo los sistemas biológicos se adaptan de manera eficiente a diferentes entornos para que pueda aplicar este conocimiento a los sistemas creados por humanos, como las máquinas autónomas, cuya vulnerabilidad al ruido y la incertidumbre crea problemas de seguridad.

“Preveo que se acerca una revolución sin precedentes en máquinas autónomas e inteligentes, facilitada por una simbiosis fructífera entre la teoría de sistemas, la computación y la (neuro)biología”, dice.

Pagándolo hacia adelante

Arbelaiz creció en España muy consciente del privilegio de tener acceso a una mejor educación que la de sus padres. Su padre obtuvo una licenciatura en economía a través de estudios independientes mientras trabajaba para mantener a su familia. Su hija heredó su persistencia. 

“Las dificultades que experimentaron mis padres los hicieron apreciar el autodidactismo, el aprendizaje permanente y el pensamiento crítico”, dice ella. “Me transmitieron estos valores, así que crecí para ser una persona curiosa y perseverante, entusiasta de la ciencia y lista para aprovechar cada oportunidad educativa”.  

Con el deseo de transmitir esto a otros, asesora a estudiantes de STEM que carecen de orientación o recursos. “Creo firmemente que debemos promover el talento en todas partes, y la tutoría podría ser el factor clave para alentar a las minorías subrepresentadas a seguir carreras en STEM”, dice.

Defensora de las mujeres en STEM, formó parte del comité ejecutivo de Graduate Women at MIT (GWAMIT) y MIT Women in Mathematics, y participa en varios paneles y talleres. También realiza experimentos en vivo para niños, como en los eventos del Día de las Niñas del Museo MIT.

“Como científicos, somos responsables de compartir nuestro conocimiento, informar al público sobre los descubrimientos científicos y su impacto, y crear conciencia sobre el valor de la investigación y la necesidad de invertir en ella”. 

Arbelaiz también apoya los esfuerzos de divulgación de Covid-19 del MIT, que incluyen charlas sobre el modelado matemático del virus y la traducción al euskera de la aplicación MIT Covid-19 Indoor Safety de su ex mentor John Bush. 

Este interés en retribuir su conocimiento STEM es algo que atribuye a su educación en el MIT. 

“MIT ha sido una de las mejores experiencias de mi vida hasta ahora: me ha traído un enorme crecimiento académico, profesional y personal”, dice. “Comparto el gusto del MIT por la investigación colaborativa y multidisciplinaria, la atracción por los desafíos intelectuales y el entusiasmo por hacer avanzar la ciencia y la tecnología en beneficio de la humanidad”.

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