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ORCID:  http://orcid.org/0000-0002-5533-8880
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Modelo neuromimético para localização de estímulos táteis em pele eletrônica
Alternate title (s): Neuromimetic model for localization of tactile stimuli in electronic skin
Author: Costa, Ana Clara Pereira Resende da
First Advisor: Soares, Alcimar Barbosa
First coorientator: Siqueira Júnior, Ailton Luiz Dias
First member of the Committee: Andrade, Adriano de Oliveira
Second member of the Committee: Elias, Leonardo Abdala
Third member of the Committee: Cunha, Márcio José da
Fourth member of the Committee: Moioli, Renan Cipriano
Summary: As sensações táteis são fundamentais para a interação social e com o mundo ao nosso redor, além de serem cruciais para a integridade corporal. Por meio do tato, identificamos, localizamos e reagimos a estímulos externos, funcionalidades desejáveis em sistemas artificiais, como próteses biônicas e robôs colaborativos. O desenvolvimento de sistemas táteis biomiméticos, como sensores táteis, peles eletrônicas (e-skins) e modelos bioinspirados, possibilitaria o desenvolvimento de novos métodos de feedback tátil em próteses e robótica. Contudo, incorporar inteligência biomimética a esses sistemas e desenvolver peles eletrônicas flexíveis, de grande área e alta densidade sensorial permanece desafiador. Uma solução promissora envolve sensores Fiber Bragg Grating (FBG), multiplexados em uma única fibra óptica embutida em substratos poliméricos macios. Esses sensores mimetizam mecanorreceptores do tipo II, por apresentarem grandes campos receptivos. Entretanto, a integração de modelos biomiméticos a tais dispositivos ainda encontra desafios importantes, possivelmente devido à compreensão incompleta dos mecanismos biológicos associados ao processamento de informações táteis. Postula-se que a conversão temporal-espacial dos estímulos táteis dos membros superiores ocorre no núcleo cuneiforme. Esta integração espaço-temporal seria então crucial para nossa capacidade de perceber diversos aspectos dos estímulos táteis, como sua localização na pele. Assim, o objetivo dessa tese é desenvolver e avaliar um modelo neuromimético do núcleo cuneiforme para inferir a localização de indentações mecânicas aplicadas a uma e-skin com sensores FBG. O modelo deve combinar os dois principais paradigmas do sistema somatossensorial: a existência de campos receptivos sobrepostos com uma organização funcional e a neuroplasticidade dependente do tempo de disparo dos aferentes primários. Para implementação e validação do modelo proposto foi utilizada uma pele eletrônica com 21 sensores FBG, que foi submetida a um protocolo de indentação automático com 1846 pontos-alvos, e o sinal aquirido de cada sensor FBG foi utilizado com entrada para o modelo neuromimético. O modelo proposto se divide em duas camadas neurais bioinspiradas. A primeira camada modela atividade neural dos aferentes primários (APs) de adaptação lenta e rápida do tipo II, em que o sinal de cada sensor FBG foi multiplexado em seis modelos de APs, resultando em 126 APs. A segunda camada neural modela a dinâmica intracelular do núcleo cuneiforme juntamente com a modelagem de campos receptivos dos neurônios cuneiformes (NCs) funcionalmente organizados - essa camada é composta por 1036 NCs e seus interneurônios inibitórios. Os disparos (potenciais de ação) dos NCs modelados foram utilizados para estimativa da localização dos estímulos aplicados à e-skin. Os resultados obtidos pela validação do modelo demostraram que ele é capaz de aprender de maneira não supervisionada a localizar estímulos aplicados à pele eletrônica em condições diversas de força e locais de estímulo, com um erro mediano de predição de localização menor que 10 mm para a região sensorizada da e-skin. Esses resultados demonstram a capacidade de generalização do modelo neuromimético proposto, e apontam para seu potencial uso como uma ferramenta neurocomputacional para pesquisas sobre os mecanismos do processamento somatossensorial, além de abrir caminhos para pesquisas em retroalimentação tátil para próteses e sistemas robóticos, a partir da incorporação da inteligência.
Abstract: Tactile sensations are fundamental for social interaction and in our interaction with the world around us, as well as being crucial for bodily integrity. Through touch, we identify, locate, and react to external stimuli—functionalities that are desirable in artificial systems such as bionic prosthetics and collaborative robots. The development of biomimetic tactile systems, including tactile sensors, electronic skins (e-skins), and bioinspired models, would enable the development of new methods of tactile feedback in prosthetics and robotics. However, integrating biomimetic intelligence into these systems and creating flexible electronic skins with large areas and high sensory density remains challenging. A promising solution involves Fiber Bragg Grating (FBG) sensors, multiplexed in a single optical fiber embedded in soft polymeric substrates. These sensors mimic type II mechanoreceptors due to their large receptive fields. However, the integration of biomimetic models into such devices still faces important challenges, possibly due to the incomplete understanding of the biological mechanisms associated with the processing of tactile information. It is postulated that the temporal-spatial conversion of tactile stimuli from the upper limbs occurs in the cuneate nucleus. This spatiotemporal integration would then be crucial for our ability to perceive several aspects of tactile stimuli, such as their location on the skin. Thus, the objective of this thesis is to develop and evaluate a neuromimetic model of the cuneate nucleus to infer the location of mechanical indentations applied to an e-skin with FBG sensors. The model should combine the two main paradigms of the somatosensory system: the existence of overlapping receptive fields with a functional organization and the neuroplasticity dependent on the firing time of mechanoreceptors. For implementation and validation of the proposed model, an electronic skin with 21 FBG sensors was used, which was subjected to an automatic indentation protocol with 1846 target points, and the signal acquired from each FBG sensor was used as input for the neuromimetic model. The proposed model is divided into two bioinspired neural layers. The first layer models neural activity of slowly and rapidly adapting type II primary afferents (APs), in which the signal from each FBG sensor was multiplexed into six AP models, resulting in 126 APs. The second neural layer models the intracellular dynamics of the cuneate nucleus together with the modeling of receptive fields of functionally organized cuneate neurons (CNs) - this layer is composed of 1036 CNs and their inhibitory interneurons. The output triggers (action potentials) of the NCs were used to estimate the location of the stimuli applied to the e-skin. The results obtained by validating the model demonstrated that it is capable of learning in an unsupervised manner to locate stimuli applied to the electronic skin under different conditions of force and stimulus locations, with a median location prediction error of less than 10 mm for the sensorized region of the e-skin. These results demonstrate the generalization capacity of the proposed neuromimetic model and point to its potential use as a neurocomputational tool for research on the mechanisms of somatosensory processing, in addition to opening avenues for research on tactile feedback for prosthetics and robotic systems, based on the incorporation of intelligence.
Keywords: Modelo Neuromimético
Sistema Tátil
Pele Eletrônica
Localização de Estímulo
Núcleo Cuneiforme
Neuromimetic Model
Tactile System
Electronic Skin
Stimulus Localization
Cuneiform Nucleus
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA BIOMEDICA
Subject: Engenharia biomédica
Sistema nervoso
Estimulação sensorial
Prótese - Biônica
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Biomédica
Quote: COSTA, Ana Clara Pereira Resende da. Modelo neuromimético para localização de rstímulos táteis em pele eletrônica. 2024. 115 f. Tese (Doutorado em Engenharia Biomédica). Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2024. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.814.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.814
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/44822
Date of defense: 19-Dec-2024
Sustainable Development Goals SDGs: ODS::ODS 3. Saúde e bem-estar - Assegurar uma vida saudável e promover o bem-estar para todos, em todas as idades.
Appears in Collections:TESE - Engenharia Biomédica

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