Learned simulation as the engine of physical scene understanding

La cognición humana evoca las habilidades del razonamiento, la comunicación y la interacción. Esto incluye la interpretación de la física del mundo real para comprender las leyes que subyacen en ella. Algunas teorías postulan la semejanza entre esta capacidad de razonamiento con simulaciones para interpretar la física de la escena, que abarca la percepción para la comprensión del estado físico actual, y el razonamiento acerca de la evolución temporal de un sistema dado. En este contexto se propone el desarrollo de un sistema para realizar simulación aprendida. Establecido un objetivo, el algoritmo se entrena para aprender una aproximación de la dinámica real, para construir así un gemelo digital del entorno. Entonces, el sistema de simulación emulará la física subyacente con información obtenida mediante observaciones de la escena. Para ello, se empleará una cámara estéreo para adquirir datos a partir de secuencias de video. El trabajo se centra los fenómenos oscilatorios de fluidos. Los fluidos están presentes en muchas de nuestras acciones diarias y constituyen un reto físico para el sistema propuesto. Son deformables, no lineales, y presentan un carácter disipativo dominante, lo que los convierte en un sistema complejo para ser aprendido. Además, sólo se tiene acceso a mediciones parciales de su estado ya que la cámara sólo proporciona información acerca de la superficie libre. El resultado es un sistema capaz de percibir y razonar sobre la dinámica del fluido. El gemelo digital cognitivo así construido proporciona una interpretación del estado del mismo para integrar su evolución en tiempo real, aprendiendo con información observada del gemelo físico. El sistema, entrenado originalmente para un líquido concreto, se adaptará a cualquier otro a través del aprendizaje por refuerzo produciendo así resultados precisos para líquidos desconocidos. Finalmente, se emplea la realidad aumentada (RA) para ofrecer una representación visual de los resultados, así como información adicional sobre el estado del líquido que no es accesible al ojo humano. Este objetivo se alcanza mediante el uso de técnicas de aprendizaje de variedades, y aprendizaje automático, como las redes neuronales, enriquecido con información física. Empleamos sesgos inductivos basados en el conocimiento de la termodinámica para desarrollar un sistema inteligente que cumpla con estos principios para dar soluciones con sentido sobre la dinámica. El problema abordado en esta tesis constituye una dificultad de primer orden en el desarrollo de sistemas robóticos destinados a la manipulación de fluidos. En acciones como el vertido o el movimiento, la oscilación de los líquidos juega un papel importante en el desarrollo de sistemas de asistencia a personas con movilidad reducida o aplicaciones industriales. Cognition evokes human abilities for reasoning, communication, and interaction. This includes the interpretation of real-world physics so as to understand its underlying laws. Theories postulate the similarity of human reasoning about these phenomena with simulations for physical scene understanding, which gathers perception for comprehension of the current dynamical state, and reasoning for time evolution prediction of a given system. In this context, we propose the development of a system for learned simulation. Given a design objective, an algorithm is trained to learn an approximation to the real dynamics to build a digital twin of the environment. Then, the underlying physics will be emulated with information coming from observations of the scene. For this purpose, we use a commodity camera to acquire data exclusively from video recordings. We focus on the sloshing problem as a benchmark. Fluids are widely present in several daily actions and portray a physically rich challenge for the proposed systems. They are highly deformable, nonlinear, and present a dominant dissipative behavior, making them a complex entity to be emulated. In addition, we only have access to partial measurements of their dynamical state, since a commodity camera only provides information about the free surface. The result is a system capable of perceiving and reasoning about the dynamics of the fluid. This cognitive digital twin provides an interpretation of the state of the fluid to integrate its dynamical evolution in real-time, updated with information observed from the real twin. The system, trained originally for one liquid, will be able to adapt itself to any other fluid through reinforcement learning and produce accurate results for previously unseen liquids. Augmented reality is used in the design of this application to offer a visual interpretation of the solutions to the user, and include information about the dynamics that is not accessible to the human eye. This objective is to be achieved through the use of manifold learning and machine learning techniques, such as neural networks, enriched with physics information. We use inductive biases based on the knowledge of thermodynamics to develop machine intelligence systems that fulfill these principles to provide meaningful solutions to the dynamics. This problem is considered one of the main targets in fluid manipulation for the development of robotic systems. Pursuing actions such as pouring or moving, sloshing dynamics play a capital role for the correct performance of aiding systems for the elderly or industrial applications that involve liquids. <br /

Real-time simulation of surgery by Proper Generalized Decomposition techniques

La simulación quirúrgica por ordenador en tiempo real se ha convertido en una alternativa muy atractiva a los simuladores quirúrgicos tradicionales. Entre otras ventajas, los simuladores por ordenador consiguen ahorros importantes de tiempo y de costes de mantenimiento, y permiten que los estudiantes practiquen sus habilidades quirúrgicas en un entorno seguro tantas veces como sea necesario. Sin embargo, a pesar de las capacidades de los ordenadores actuales, la cirugía computacional sigue siendo un campo de investigación exigente. Uno de sus mayores retos es la alta velocidad a la que se tienen que resolver complejos problemas de mecánica de medios continuos para que los interfaces hápticos puedan proporcionar un sentido del tacto realista (en general, se necesitan velocidades de respuesta de 500-1000 Hz).Esta tesis presenta algunos métodos numéricos novedosos para la simulación interactiva de dos procedimientos quirúrgicos habituales: el corte y el rasgado (o desgarro) de tejidos blandos. El marco común de los métodos presentados es el uso de la Descomposición Propia Generalizada (PGD en inglés) para la generación de vademécums computacionales, esto es, metasoluciones generales de problemas paramétricos de altas dimensiones que se pueden evaluar a velocidades de respuesta compatibles con entornos hápticos.En el caso del corte, los vademécums computacionales se utilizan de forma conjunta con técnicas basadas en XFEM, mientras que la carga de cálculo se distribuye entre una etapa off-line (previa a la ejecución interactiva) y otra on-line (en tiempo de ejecución). Durante la fase off-line, para el órgano en cuestión se precalculan tanto un vademécum computacional para cualquier posición de una carga, como los desplazamientos producidos por un conjunto de cortes. Así, durante la etapa on-line, los resultados precalculados se combinan de la forma más adecuada para obtener en tiempo real la respuesta a las acciones dirigidas por el usuario. En cuanto al rasgado, a partir de una ecuación paramétrica basada en mecánica del daño continuo, se obtiene un vademécum computacional. La complejidad del modelo se reduce mediante técnicas de Descomposición Ortogonal Propia (POD en inglés), y el vademécum se incorpora a una formulación incremental explícita que se puede interpretar como una especie de integrador temporal.A modo de ejemplo, el método para el corte se aplica a la simulación de un procedimiento quirúrgico refractivo de la córnea conocido como queratotomía radial, mientras que el método para el rasgado se centra en la simulación de la colecistectomía laparoscópica (la extirpación de la vesícula biliar mediante laparoscopia). En ambos casos, los métodos implementados ofrecen excelentes resultados en términos de velocidades de respuesta y producen simulaciones muy realistas desde los puntos de vista visual y háptico.The real-time computer-based simulation of surgery has proven to be an appealing alternative to traditional surgical simulators. Amongst other advantages, computer-based simulators provide considerable savings on time and maintenance costs, and allow trainees to practice their surgical skills in a safe environment as often as necessary. However, in spite of the current computer capabilities, computational surgery continues to be a challenging field of research. One of its major issues is the high speed at which complex problems in continuum mechanics have to be solved so that haptic interfaces can render a realistic sense of touch (generally, feedback rates of 500–1 000 Hz are required). This thesis introduces some novel numerical methods for the interactive simulation of two usual surgical procedures: cutting and tearing of soft tissues. The common framework of the presented methods is the use of the Proper Generalised Decomposition (PGD) for the generation of computational vademecums, i. e. general meta-solutions of parametric high-dimensional problems that can be evaluated at feedback rates compatible with haptic environments. In the case of cutting, computational vademecums are used jointly with XFEM-based techniques, and the computing workload is distributed into an off-line and an on-line stage. During the off-line stage, both a computational vademecum for any position of a load and the displacements produced by a set of cuts are pre-computed for the organ under consideration. Thus, during the on-line stage, the pre-computed results are properly combined together to obtain in real-time the response to the actions driven by the user. Concerning tearing, a computational vademecum is obtained from a parametric equation based on continuum damage mechanics. The complexity of the model is reduced by Proper Orthogonal Decomposition (POD) techniques, and the vademecum is incorporated into an explicit incremental formulation that can be viewed as a sort of time integrator. By way of example, the cutting method is applied to the simulation of a corneal refractive surgical procedure known as radial keratotomy, whereas the tearing method focuses on the simulation of laparoscopic cholecystectomy (i. e. the removal of the gallbladder). In both cases, the implemented methods offer excellent performances in terms of feedback rates, and produce.<br /

Design and implementation of a cognitive node for heterogeneous wireless ad-hoc

In this thesis, the design of a cognitive network layer solution for a scenario with mobile devices is presented. Cognitive networks are able to sense the environment and adapt in order to find the best performance of the network at any moment. The final objective is to carry out a design of a node of the network which has incorporated in it up to three different technologies, which are WLAN, Bluetooth and ZigBee. The node is able to determine whether a technology should be used or not based on the network state. In order to find out the network state, a routing protocol based on Link State to provide the full view of the network is designed. Adaptive routing metrics have been designed in order to determine the best performance of the network to meet the QoS requirements considering what service is being required by the application and therefore to choose what technology is more appropriated for the connection. Those metrics are based on the capacity of the link, which takes into account the technology, the delay and the packet error rate of itself, and the utilization level. Then, Dijkstras’ algorithm is computed to solve the routing problem based on the adaptive weights instead of using the traditional hop-based count as a cost function. Furthermore, a heterogeneous cognitive wireless ad-hoc network testbed is implemented to analyze the behavior of the cognitive network when different types of services are used. On top of the cognitive network layer, an application to arrange meetings is implemented. Meeting rooms offer two different type of service for the guests, video and data service. Thus, clients are able to configure a video conference with the meeting room in case they cannot attend the meeting

La protección trasera frente al empotramiento

Un dispositivo de protección trasera contra el empotramiento se coloca en la parte posterior de un vehículo pesado para evitar que en caso de una colisión en la que otro vehículo más ligero le alcance, éste no llegue a empotrarse bajo ella. De esta función surge el nombre de “dispositivo antiempotramiento”. Antes de poder colocarse en un vehículo, estos dispositivos deben ser homologados. La homologación es una autorización administrativa que certifica que el dispositivo cumple con la ley. El cumplimiento de la legislación condiciona su diseño, ya que debe realizarse con el objetivo de resistir un ensayo de aplicación de cargas. El presente proyecto incluye el diseño, análisis y homologación de un dispositivo de estas características. La primera parte del proyecto corresponde al diseño del dispositivo. Comienza con el estudio del tipo de bastidor que usan los vehículos que van a equipar el paragolpes. Este estudio tiene gran importancia ya que resulta fundamental conocer el tipo de elemento al que tiene que unirse, circunstancia que será clave en su diseño. A continuación se trata uno a uno todos los componentes del dispositivo por separado, exponiendo los criterios seguidos en su diseño en base a la legislación. Finalmente se expone un resumen de todas las uniones entre los elementos anteriores. Éstas tienen gran relevancia ya que de ellas depende la solidez final del conjunto. La siguiente parte contiene los análisis de homologación realizados virtualmente por el método de los elementos finitos. Éstos sirven para conocer la tensión que deben soportar los elementos durante la aplicación de las cargas de ensayo que marca la legislación. Permiten, tras analizar sus resultados, seleccionar los materiales adecuados para cada componente y, en caso necesario, modificar el diseño de alguno de ellos para reforzarlo. Tras estos análisis previos se llega a conseguir el diseño definitivo que soporta las cargas de forma satisfactoria. Es el momento de seleccionar los materiales. Éstos se eligen comparando las tensiones de cada elemento con las de rotura de los materiales disponibles, teniendo en cuenta el coeficiente de seguridad con el que se desea fabricar el conjunto. Tras estos pasos ya se dispone de toda la información necesaria para completar el expediente de homologación. El dispositivo de protección trasera se homologa como unidad técnica independiente. Por un lado, el expediente de homologación contiene la documentación que debe aportar el fabricante: Ficha de características, planos del dispositivo y esquemas de montaje. Por otro, el informe de ensayo, donde se demuestra mediante el análisis por el método de los elementos finitos que dicho dispositivo soporta satisfactoriamente las cargas de ensayo sin llegar al límite de rotura de los materiales. Gracias a este ensayo, también se determina la posición exacta de colocación del dispositivo mediante los datos de desplazamiento máximo en los puntos de aplicación de las cargas. Llegados a este punto, el dispositivo podría construirse y colocarse en un vehículo pesado legalmente. Pero resulta interesante comprobar su comportamiento en una aplicación real. Es por ésto que se incluye un último apartado en el que en base a datos estadísticos se realiza la completa reconstrucción de un accidente común de colisión por alcance turismo – camión. En este accidente el conductor del turismo no puede detener su vehículo a tiempo y colisiona con la parte trasera del camión. En ese momento entra en juego el dispositivo antiempotramiento diseñado que lleva colocado el camión y que debe evitar que el turismo se introduzca bajo su parte trasera. La fuerza que ejerce el turismo sobre el dispositivo en la colisión, suponiendo una compatibilidad geométrica perfecta entre ellos, genera unas tensiones superiores a las de rotura de los materiales. De esta forma el dispositivo no llega a cumplir su función a pesar de haber superado sin problemas los requisitos de homologación

Simulación en tiempo real del comportamiento mecánico de la vesícula biliar

Estudio y simulación del comportamiento de la vesícula biliar bajo acciones de carga diferentes y en diferentes situaciones de estudio tanto dinámicas como estáticas

Estrés y técnica de arbitraje en baloncesto en función del género

El propósito de estudio ha sido conocer las diferencias en función del género en la intervención técnica del árbitro y las situaciones de estrés que se presentan durante un partido de baloncesto. La muestra consta de seis árbitros de categoría nacional (4 hombres y 2 mujeres), durante la celebración de un torneo internacional U-16. Para conocer las diferencias en la intervención técnica se ha empleado el instrumento IOVAB y para observar las diferencias en las situaciones de estrés el cuestionario LISEA. Los resultados muestran que no existen diferencias significativas en la intervención técnica, exceptuando los movimientos de árbitro de cabeza, donde las mujeres obtienen valores más elevados. Por contra, si se reflejan diferencias entre grupos en las situaciones de estrés. Las mujeres poseen valores más altos cuando se hace referencia al nombre de los entrenadores y jugadores, al puesto que ocupa cada equipo en la competición, al compañero de arbitraje, a la localidad y pabellón en el que arbitran y a la existencia o no de delegado de campo. Los resultados muestran la necesidad de realizar un programa de intervención para regular esta ansiedad antes y después de los partidos.The aim of this research was to determine the differences that may exist in the gender of the referee about the technical intervention and stressful situations during basketball matches. The subjects are six national referees (4 men and 2 women) officiating an international tournament U-16. IOVAB instrument has been used to calculate the differences in the technical intervention and LISEA questionnaire in order to observe differences in stress situations. The results show no significant differences in technical intervention, except the head referee movements, where the women performance is better. However, there are differences between groups in stressful situations. Women have higher values in reference to the name of the coaches and players, the position occupied by each team in the competition, the workmate referee, the place and stadium and the existence of field official. Results show the need to implement an intervention program to regulate the anxiety of the referees before and after the games

La problemática de la integración sociocultural y otros aspectos de interés. La Comunidad Musulmana en la Provincia de Zaragoza

La problemática de la integración de la Comunidad Musulmana en la provincia de Zaragoza, aspectos culturales que chocan con la civilización occidental así como la problemática de la confesión para profesar su religión

Changes in bariatric patients’ physical activity levels and health-related quality of life following a postoperative motivational physical activity intervention

Purpose: Self-determination theory (SDT) has been widely used as a useful motivational framework for improving long-term adherence to physical activity (PA) and health-related quality of life (HRQoL). The aim of this study was to examine the effects of a 6-month motivational PA intervention (MPAI) on bariatric patients’ PA levels and HRQoL from pre-surgery to the end of the MPAI (7 months post-surgery). Additionally, a re-test was performed 13 months post-surgery. Methods: 40 participants undergoing sleeve gastrectomy were assigned to a 6-month MPAI or to a control group. The MPAI was based on techniques and messages from SDT. At baseline and post-intervention measures, both groups wore accelerometers for one week and completed the SF-36 questionnaire. Results: 32 participants (78.1% female) completed all measures and were included in the final analyses. PA levels did not significantly differ between groups as a consequence of the intervention. Clinically significant differences (d ≥ 0.5) favoring the MPAI group were found for SF-36 domains of bodily pain (at pre-surgery, increasing at 7- and 13-months post-surgery), general health and vitality (7 months post-surgery), and physical functioning and the physical component score (both 7- and 13-months post-surgery). Social functioning also showed clinically significant differences favoring the MPAI group at pre-surgery, increasing at 7 months post-surgery. These differences disappeared at 13 months post-surgery. Conclusions: SDT-based PA interventions could enhance several dimensions of bariatric patients’ HRQoL after surgery. Further research is needed to understand what motivational processes are key aspects to promote PA participation in these patients

Modelado físicamente riguroso de tejidos biológicos blandos a partir de datos

El Trabajo de Fin de Máster "Modelado físicamente riguroso de tejidos biológicos blandos a partir de datos" tiene como objetivo desarrollar una herramienta basada en inteligencia artificial, más concretamente en las llamadas redes SPNN (Structure-Preserving Neural Networks), que sea capaz de aprender leyes de comportamiento de tejidos biológicos blandos para reproducir la evolución temporal de diferentes variables seleccionadas que definen su comportamiento en base al formalismo GENERIC (General Equation for the Non-Equilibrium Reversible-Irreversible Coupling), que asegura el cumplimiento de las leyes básicas de la termodinámica.<br /

Realidad aumentada en cirugía: una aproximación semántica mediante aprendizaje profundo

En este proyecto se ha desarrollado una herramienta que combina técnicas clásicas de visión por computador para tomar medidas precisas junto con técnicas de aprendizaje profundo. Esto permite crear un sistema capaz de entender la escena que está viendo, a la vez que la posiciona en el espacio de manera precisa, permitiendo incluso tomar medidas en verdadera magnitud. La fusión de estos dos tipos de tecnología permite abrir una nueva línea de trabajo, estableciendo las bases para la extracción semántica del interior de un paciente en un entorno quirúrgico.El principal reto abordado en el proyecto es la identificación de las regiones internas del paciente (el hígado en este caso) a partir de imágenes planas tomadas con cámaras monoculares estándar, como un endoscopio. El objetivo final es la estimación de la pose (posición con respecto a la cámara, compuesta de traslación y rotación) del hígado, que se utilizará para localizar partes internas no visibles, como vasos sanguíneos o tumores, sobre el órgano en realidad aumentada durante una intervención quirúrgica.Para el entrenamiento de la red neuronal se ha utilizado un modelo sintético del hígado, obtenido a partir de un simulador quirúrgico desarrollado en el Grupo AMB del Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A). La principal dificultad del proyecto radica en el entrenamiento de la red para la obtención de la pose de forma precisa. Para ello, se ha reentrenado un modelo de red neuronal con imágenes del hígado, tanto sobre fondos homogéneos como sobre fondos simulando una intervención laparoscópica, con el objetivo de realizar predicciones en condiciones lo más realistas posibles.Finalmente, la información obtenida mediante la red neuronal se ha incorporado a ORB-SLAM, para la obtención de resultados en tiempo real.La principal novedad introducida en este proyecto es el uso conjunto de redes neuronales con ORB-SLAM. Esto permite realizar estimaciones de pose y escalado automáticamente sin la necesidad de utilizar información adicional, de modo que la herramienta se puede utilizar directamente con cámaras de laparoscopia, sin tener que recurrir a sensores adicionales como acelerómetros o LIDAR.<br /