Uso de la investigación en robótica para mejorar la seguridad de los buzos
Silvia Ferrari, conocida por su trabajo en el desarrollo de sofisticados algoritmos y métodos para manejar y coordinar sistemas complejos, ha aplicado su experiencia a la integración de tecnología de buceo con aire comprimido con sistemas robotizados.
Su investigación se centra en la robótica submarina, vehículos submarinos autónomos (AUV, por sus siglas en inglés) y robots diseñados para entornos acuáticos. Al incorporar tecnologías de buceo a estos sistemas robotizados, Ferrari está mejorando las capacidades de los AUV y realizando notables contribuciones a la robótica y la exploración submarina.
Ferrari es la directora del Laboratorio para Sistemas y Controles Inteligentes (Laboratory for Intelligent Systems and Controls, LISC), decana asociada de Investigación de ingeniería en todo el campus (Cross-Campus Engineering Research) y John Brancaccio Professor de Ingeniería Mecánica y Espacial en la Universidad Cornell (Cornell University).


Cuéntenos sobre su puesto y qué le atrajo de este rol.
Soy profesora de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Universidad Cornell, y mi enfoque está en los sistemas inteligentes, la inteligencia artificial (IA), la robótica y la teoría de control. Obtuve mi doctorado en ingeniería aeroespacial en la Universidad de Princeton (Princeton University), donde estudié guiado, control y navegación de aeronaves. Con el tiempo mi trabajo se ha expandido para abarcar redes de sensores, vehículos autónomos y percepción activa, lo que ha tenido influencia sobre proyectos como dispositivos de ayuda para buzos con aire comprimido e interacciones entre humanos y robots.
Durante mis estudios universitarios, mi consejero me introdujo en la teoría de control óptimo. Su amplia variedad de aplicaciones me fascinó y me llevó a realizar un doctorado en este campo. El control óptimo fue inicialmente popular en la ingeniería aeroespacial y química, pero pronto encontró aplicaciones en otras partes.
Mi consejero también sugirió que explorara las redes neuronales artificiales, que me introdujeron a la IA en la época en que las primeras redes neuronales recién estaban emergiendo. Trabajé en el control de tráfico aéreo reconfigurable. Como profesora, cambié mi enfoque a la detección, la percepción y áreas como sistemas robotizados y autónomos, donde, desde entonces, se han abierto muchas aplicaciones nuevas.
¿Cómo integra el buceo con aire comprimido a su investigación?
Hace varios años mi equipo comenzó a trabajar en diversos juegos, incluso juegos de computadora y de mesa como Clue. Nuestro trabajo evolucionó para incluir deportes porque descubrimos que era una excelente manera de estudiar problemas con reglas y objetivos claros, lo que nos ayudó a desarrollar sistemas adaptativos e inteligentes. Me hice conocida por mi investigación en IA para deportes.
En la misma época, algunos colegas comenzaron a debatir las aplicaciones para buzos de la Marina. Me invitaron a unirme a su propuesta, lo que era una opción perfecta para mi experiencia en percepción y adaptación a entornos difíciles. Mi enfoque cambió a la detección y la autonomía submarinas, lo que dio lugar a la investigación sobre robots que asisten a buzos para mejorar su seguridad y los ayudan con tareas submarinas complejas.
La percepción tiene un rol crucial porque los entornos submarinos presentan desafíos significativos, como baja visibilidad, que complican la visión por computadora y la percepción general. Estos problemas nos hicieron darnos cuenta de que las interacciones entre humanos y robots bajo el agua son particularmente difíciles debido a las comunicaciones y condiciones complejas. Junto con mi grupo de investigación en el LISC —Jia Guo, el estudiante de doctorado Sushrut Surve; los estudiantes de maestría Jovan Menez y Yiting (Jerry) Jin; y el experto en buceo Daniele Fragiacomo— desarrollamos un modelo hidrodinámico y un entorno de simulación submarino en el laboratorio para probar robots y situaciones complejas sin buceo real. Actualmente estamos trabajando en un avatar de un buzo para mejorar nuestra investigación sobre la colaboración entre humanos y robots bajo el agua.

Cuéntenos más sobre el desarrollo del avatar.
El equipo ha estado trabajando en el desarrollo de un traje seco especial con una serie de sensores, que denominamos traje Movella Xsens MVN Link™. Los sensores fueron inicialmente diseñados para usarlos en un entorno de laboratorio seco, donde hacen un seguimiento de los movimientos del cuerpo para crear avatares virtuales precisos. Funcionan haciendo capturas de la forma 3D, la pose y la posición de una persona en un entorno de laboratorio. Estos sensores no son aptos para su uso bajo el agua ya que originalmente dependían de la comunicación inalámbrica, que no tenía un buen desempeño en el agua debido al alto ruido de la señal.
Nos encontramos con problemas incluso cuando cambiamos a sensores con cable porque los algoritmos no estaban diseñados para condiciones subacuáticas. Para solucionar ese problema, creamos una versión submarina de localización y mapeo simultáneos (simultaneous localization and mapping, SLAM) integrada con estos sensores. Este enfoque nos permite medir con precisión la posición y el movimiento de un buzo mientras nada. Luego combinamos esto con modelos matemáticos de nuestros colaboradores para desarrollar un modelo basado en la física de un humano nadando.
¿Qué otros desafíos ha enfrentado además de los factores ambientales al integrar sensores submarinos?
El mayor desafío es lograr que los robots interpreten el estado, las emociones y la condición fisiológica de un buzo. Los buzos experimentan estrés a causa de diversas fuentes: fisiológica, psicológica, ambiental y cognitiva. Estamos trabajando estrechamente con buzos para comprender estos factores estresantes y estamos colaborando con otros grupos para desarrollar sensores portátiles. Nuestro objetivo es integrar estos sensores con los datos del robot, como sonar, para comprender mejor la condición del buzo, que es crucial para la toma de decisiones y la eficacia de las misiones.
Para las pruebas prácticas, nuestro equipo de Cornell utiliza una piscina para experimentos con buzos. Debido a que las pruebas en piscinas son costosas y requieren mucho tiempo, también estamos desarrollando un entorno de realidad virtual para simular condiciones submarinas. Este espacio virtual nos ayudará a probar tecnologías y situaciones complejas, como baja visibilidad o corrientes oceánicas, sin poner a los buzos en riesgo. Estamos trabajando con otras personas para crear entornos submarinos realistas e integrar sensores portátiles virtualmente, lo que nos permitirá probar y perfeccionar nuestros enfoques de manera segura y eficaz.


También trabaja con vehículos submarinos, principalmente para propósitos de exploración. Cuéntenos sobre eso.
Con el paso de los años he trabajado ampliamente con la Oficina de Investigación Naval (Office of Naval Research) y diversas bases navales en la autonomía submarina. Nuestro trabajo se ha centrado principalmente en vehículos submarinos utilizados para conflictos antisubmarinos, lo que implica una gran cantidad de detección y adaptación a corrientes oceánicas. Hemos tenido que aprender sobre la estimación y el uso de estas corrientes para la navegación, que también es relevante para los buzos con aire comprimido porque las corrientes también los afectan.
También he trabajado en vehículos pequeños para detectar y clasificar explosivos submarinos, lo que es importante para la seguridad nacional. Estos vehículos, como el REMUS 100, están equipados con sensores esenciales, y procesar los datos de estos sensores es fundamental. Esta experiencia también es aplicable al buceo con aire comprimido, ya que algunos buzos realizan tareas submarinas similares.
¿En qué otros proyectos está trabajando?
Estoy realmente emocionada por usar nuestras herramientas para analizar accidentes, de manera similar a como la comunidad aeroespacial reconstruye accidentes aéreos. Si un buzo con aire comprimido estuviera equipado con sensores avanzados y algo saliera mal, los datos recopilados podrían ayudarnos a reconstruir el incidente. Al combinar estos datos con simulaciones y hacer pruebas con un buzo, podemos comprender mejor qué salió mal y mejorar la seguridad.
Estoy analizando con la Oficina de Investigación Naval la manera de aplicar estas tecnologías para respaldar a los buzos de la Marina y Marines que enfrentan altos niveles de estrés. El objetivo es usar estos dispositivos para el entrenamiento y obtener información sobre cómo el estrés afecta su estado cognitivo y psicológico.
También estamos explorando herramientas de realidad virtual para estudiar a buzos y afecciones médicas relacionadas con el buceo en un entorno de laboratorio. Esta investigación podría eventualmente extenderse a otros entornos complejos, como altitudes elevadas o cámaras hiperbáricas. Estamos colaborando con equipos que se especializan en medicina subacuática.
Además, estamos trabajando en el desarrollo de sensores submarinos concebidos para estas condiciones específicas. Si bien estos sensores aún están en la etapa de desarrollo, sus avances tienen el potencial de beneficiar a una variedad de campos, incluso aquellos que incluyen otras condiciones extremas que enfrentan atletas y personal militar.
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Vea a Silvia Ferrari dar una charla TEDx en este video.
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