Los movimientos de invertebrados como los gusanos, las serpientes y las medusas podrían inspirar la próxima generación de robots «blandos» y flexibles.
La ausencia de un centro nervioso centralizado en las medusas también inspira a una estudiante del MIT, que trabaja en una teoría descentralizada para controlar sistemas robóticos blandos.
Estas nuevas estrategias de control podrían permitir el uso de robots blandos en espacios estrechos o delicados, por ejemplo, en herramientas quirúrgicas o en misiones de búsqueda y rescate.
Juncal Arbelaiz Mugica es española, y en su país el pulpo es un plato habitual. Sin embargo, Arbelaiz aprecia los pulpos y otras criaturas similares de otra manera: a través de su investigación sobre la teoría de la robótica blanda.
Más de la mitad de los nervios de un pulpo se distribuyen por sus ocho brazos, cada uno de los cuales tiene cierto grado de autonomía. Este sistema distribuido de percepción y procesamiento de información intrigó a Arbelaiz, que investiga cómo diseñar inteligencia descentralizada para sistemas creados por humanos con sensores y capacidad de cálculo integrados. En el MIT, Arbelaiz estudia matemáticas aplicadas y trabaja en los fundamentos del control y la estimación distribuidos óptimos, en las últimas semanas antes de terminar su doctorado este otoño.
Encuentra inspiración en la inteligencia biológica de invertebrados como los pulpos y las medusas, con el objetivo último de diseñar nuevas estrategias de control para robots «blandos» y flexibles que puedan usarse en entornos estrechos o delicados, por ejemplo, como herramienta quirúrgica o en misiones de búsqueda y rescate.
«La flexibilidad de los robots blandos les permite adaptarse dinámicamente a distintos entornos. Pensemos en gusanos, serpientes o medusas y comparemos su movimiento y capacidad de adaptación con los de los animales vertebrados», dice Arbelaiz. «Es una expresión interesante de la inteligencia corporizada: carecer de un esqueleto rígido ofrece ventajas en ciertas aplicaciones y ayuda a gestionar la incertidumbre del mundo real con mayor eficiencia. Pero esta flexibilidad adicional también plantea nuevos retos desde la teoría de sistemas».
En el mundo biológico, el «controlador» suele asociarse con el cerebro y el sistema nervioso central: crea órdenes motoras para que los músculos produzcan movimiento. Las medusas y algunos otros organismos blandos carecen de un centro nervioso centralizado o de cerebro. Inspirada por esta observación, ahora trabaja en una teoría según la cual los sistemas robóticos blandos podrían controlarse mediante el intercambio descentralizado de información sensorial.
«Cuando la percepción y la actuación están distribuidas por el cuerpo del robot y sus capacidades de cálculo a bordo son limitadas, puede resultar difícil implementar una inteligencia centralizada», afirma. «Por eso necesitamos este tipo de esquemas descentralizados que, pese a compartir información sensorial solo localmente, garanticen el comportamiento global deseado. Algunos sistemas biológicos, como las medusas, son ejemplos extraordinarios de arquitecturas de control descentralizadas: la locomoción se logra sin un cerebro (centralizado). Esto resulta fascinante en comparación con lo que podemos conseguir con máquinas creadas 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 del MIT John Bush en dinámica de fluidos. En 2015, él invitó a Arbelaiz al MIT como estudiante visitante para investigar las interacciones entre gotas. De ahí surgió su artículo de 2018 en Physical Review Fluids, y su decisión de cursar un doctorado en el MIT.
En 2018, su investigación doctoral pasó al centro interdisciplinario Sociotechnical System Research Center (SSRC), y ahora cuenta con la asesoría de Ali Jadbabaie, profesor de Ingeniería JR East y director del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental; y de la vicedecana de la Escuela de Ingeniería Anette «Peko» Hosoi, profesora de Ingeniería Mecánica Neil y Jane Pappalardo, además de profesora de Matemáticas Aplicadas. Arbelaiz también trabaja habitualmente con Bassam Bamieh, director adjunto del Center for Control, Dynamical Systems, and Computation de la Universidad de California en Santa Bárbara. Dice que trabajar con este equipo de asesores le da libertad para explorar los proyectos de investigación multidisciplinarios que le han interesado durante los últimos cinco años.
Por ejemplo, aplica enfoques de teoría de sistemas para diseñar nuevos controladores y estimadores óptimos para sistemas con dinámicas espaciotemporales, y para comprender a fondo las topologías de comunicación de la retroalimentación sensorial necesarias para controlar óptimamente esos sistemas. En las aplicaciones de robótica blanda, esto supone determinar qué mediciones sensoriales son importantes para activar mejor cada uno de los «músculos» del robot. ¿Empeoró el rendimiento del robot cuando cada actuador solo tuvo acceso a las mediciones sensoriales más cercanas? Su investigación caracteriza esta compensación entre el rendimiento en lazo cerrado, la incertidumbre y la complejidad en sistemas distribuidos espacialmente.
«Estoy decidida a cerrar la brecha entre la autonomía de las máquinas, la teoría de sistemas y la inteligencia biológica», afirma.
Próxima etapa
Una beca de dos años Schmidt Science Fellowship, que financia a investigadores jóvenes para que realicen estudios posdoctorales en un campo distinto del de sus estudios de posgrado, permitirá a Arbelaiz explorar más a fondo la intersección entre la inteligencia biológica y la de las máquinas después de graduarse.
Tiene previsto realizar su posdoctorado en la Universidad de Princeton con la profesora Naomi Leonard y trabajar con investigadores de biología de sistemas, informática y robótica para explorar la fiabilidad y la robustez de conjuntos biológicos y artificiales. En concreto, le interesa aprender cómo se adaptan eficientemente los sistemas biológicos a distintos entornos, para aplicar ese conocimiento a sistemas creados por humanos, como las máquinas autónomas, cuya vulnerabilidad al ruido y la incertidumbre genera problemas de seguridad.
«Preveo una revolución sin precedentes en el horizonte de las máquinas autónomas e inteligentes, impulsada por una fructífera simbiosis entre la teoría de sistemas, la computación y la (neuro)biología», afirma.
Transmitir lo aprendido
Arbelaiz creció en España con plena conciencia del privilegio de haber tenido acceso a una educación mejor que la de sus padres. Su padre obtuvo un título en economía mediante el estudio independiente, mientras trabajaba para mantener a su familia. Su hija heredó su perseverancia.
«Las dificultades que vivieron mis padres hicieron que valoraran el aprendizaje autodidacta, el aprendizaje permanente y el pensamiento crítico», dice. «Me transmitieron esos valores, así que crecí siendo una persona curiosa y perseverante, entusiasta de la ciencia y dispuesta a aprovechar todas las oportunidades educativas».
Con el deseo de transmitirlo a otras personas, asesora a estudiantes de STEM que carecen de orientación o recursos. «Creo firmemente que debemos promover el talento en todas partes, y la mentoría podría ser el principal motor para animar a las minorías infrarrepresentadas a seguir carreras en STEM», afirma.
Defensora de las mujeres en STEM, formó parte del comité ejecutivo de Graduate Women at MIT (GWAMIT) y de MIT Women in Mathematics, y participa en diversos paneles y talleres. También organiza experimentos en vivo para niños, por ejemplo, en los eventos Girls Day del Museo del MIT.
«Como científicos, tenemos la responsabilidad de compartir nuestro conocimiento, informar al público sobre los descubrimientos científicos y su impacto, y concienciar sobre el valor de la investigación y la necesidad de invertir en ella».
Arbelaiz también apoya las iniciativas de divulgación del MIT sobre la Covid-19, incluidas charlas sobre el modelado matemático del virus, y traduce al euskera la aplicación MIT Covid-19 Indoor Safety de su antiguo mentor John Bush.
Atribuye a su formación en el MIT este interés por transmitir a otras personas sus conocimientos de STEM.
«El MIT ha sido una de las mejores experiencias de mi vida hasta ahora: me ha aportado un enorme crecimiento académico, profesional y personal», dice. «Comparto el gusto del MIT por la investigación colaborativa y multidisciplinaria, la atracción por los retos intelectuales y el entusiasmo por impulsar la ciencia y la tecnología en beneficio de la humanidad».
