Integración Hombre Máquina

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La evolución de la interacción hombre-máquina ha progresado desde herramientas simples operadas manualmente que requieren habilidad física hasta sistemas electrónicos sofisticados que desdibujan la línea entre humanos y máquinas. Inicialmente, herramientas como cabrestantes y catapultas ampliaron las capacidades humanas, con interfaces manipuladas directamente con la mano o el pie. Esta era de interfaces hombre-máquina (IHM) simples permitió el progreso humano durante milenios, incluso con maquinaria compleja como las locomotoras de vapor controladas mediante palancas y perillas físicas. La llegada de la electricidad marcó un salto significativo en el diseño de IHM, al introducir botones, interruptores e indicadores visuales, lo que permitió un control y una comunicación más matizados con las máquinas.

Hoy en día, el avance de la tecnología desafía los límites que alguna vez fueron distintos entre humanos y máquinas, lo que lleva a una nueva era en la que la integración y la interacción con las máquinas son más fluidas e interconectadas, lo que refleja tanto las oportunidades como los desafíos que plantea una integración tan estrecha entre los humanos y la tecnología.

Utilidad de una IHM

La utilidad de las IHM ha aumentado significativamente con la llegada de las pantallas gráficas y de caracteres, junto con la evolución de la tecnología de pantalla táctil. Los microcontroladores y procesadores han mejorado la capacidad de las máquinas para almacenar preferencias y optimizar las operaciones, lo que permite selecciones de modo rápidas y eficientes. El desarrollo de controles de motores y retroalimentación de fuerza ha aportado nuevos niveles de precisión al funcionamiento de las máquinas. Sin embargo, el atractivo de la tecnología innovadora no necesariamente equivale a eficacia. Los primeros sistemas de realidad virtual (VR), por ejemplo, enfrentaban desafíos con el seguimiento de la cabeza en tiempo real, lo que provocaba incomodidad en el usuario debido a la desconexión entre la retroalimentación visual esperada y real.

Las IHM eficaces priorizan la intuición y los requisitos mínimos de formación, mejorando su utilidad evolutiva. Avances como pantallas más brillantes y táctiles han transformado la interacción del usuario, aunque fueron notables desafíos como la recalibración y las capacidades táctiles limitadas en las primeras versiones. El cambio a la tecnología táctil de capacitancia proyectada avanzó significativamente la funcionalidad IHM, ejemplificada por la adopción generalizada de teléfonos inteligentes y tabletas. La naturaleza intuitiva de estos dispositivos permite un aprendizaje y operación rápidos sin una capacitación extensa, incluso entre los niños, quienes a menudo superan a los adultos en el dominio de nuevas tecnologías.

Un aspecto crítico del diseño de IHM es garantizar la comodidad del operador y minimizar la fatiga durante períodos de uso prolongados. Las interfaces modernas, particularmente en tabletas y teléfonos inteligentes, están diseñadas para una interacción prolongada, aunque esto genera preocupaciones sobre una posible adicción. Además, las IHM, como las pantallas de visualización frontal en la aviación, demuestran la importancia de mantener la concentración y la comodidad del operador durante sesiones prolongadas. Las consideraciones de diseño también deben abordar el riesgo de lesiones por estrés repetitivo, subrayando la importancia de la ergonomía en el diseño de la interfaz para respaldar la salud y la productividad del usuario en diversos contextos ocupacionales, desde el trabajo en la línea de montaje hasta los entornos de oficina.

Seguridad de una IHM

Los sistemas de realidad virtual modernos representan la vanguardia de la tecnología adoptada por la corriente principal, con varios actores clave dominando el mercado y con potencial para más a medida que los sistemas de realidad aumentada (AR) ganan popularidad. Tanto las tecnologías VR como AR se destacan en la creación de experiencias inmersivas, mejorando los entornos de aprendizaje y capacitación, revolucionando el entretenimiento y ofreciendo nuevas formas de interactuar con contenido digital.

Si bien actualmente se utilizan más comúnmente para juegos, se utilizarán más en control industrial, automatización de fábricas y centros de reparación de máquinas complejas. Los sensores y detectores avanzados permiten que la IHM sepa dónde están las manos y al mismo tiempo admite nuevos gestos avanzados como extenderse o sumergirse (Figura 1). Incluso mientras se está inmerso en un entorno virtual, los interruptores y botones de control portátiles se pueden utilizar a través de controladores inalámbricos.

Figura 1: Los sistemas VR y AR pueden permitir una mejor visualización de sistemas complejos, lo cual es útil para la capacitación, reparación y servicio de máquinas. (Fuente: Gorodenkoff/stock.adobe.com)

Los avances en tecnología, particularmente con acelerómetros y seguimiento preciso de la cabeza, han mitigado los problemas de retraso disociativo en entornos virtuales, mejorando así la seguridad. Sin embargo, persisten desafíos, como sortear obstáculos invisibles con auriculares inmersivos, lo que requiere alertas de límites a través de señales visuales y auditivas. Las cintas de correr omnidireccionales con sensores ofrecen una solución para un movimiento seguro en espacios virtuales mediante el seguimiento del movimiento del usuario. La RA presenta una alternativa más segura al superponer información digital en el mundo real, lo que permite a los usuarios ver los obstáculos. Esta tecnología es particularmente beneficiosa en campos especializados como el aeroespacial, donde la RA puede simplificar tareas complejas como la reparación de motores a reacción al resaltar componentes, con la promesa de evolucionar para admitir proyecciones 3D para interacciones más intuitivas.

Las tecnologías de reconocimiento de gestos en los auriculares AR permiten un control e interacción precisos, mejorando la eficiencia de las tareas en diversas aplicaciones, incluidas reparaciones de maquinaria complejas guiadas por señales audiovisuales. Estos sistemas no sólo mejoran el desempeño de las tareas sino que también permiten la detección de fallas más allá de la capacidad humana. Sin embargo, para aplicaciones en control industrial y operaciones militares remotas, como pilotar drones, las IHM deben equilibrar la sensibilidad y la robustez, garantizando la confiabilidad en condiciones como explosiones cercanas o movimientos involuntarios del operador, con mecanismos de seguridad para evitar acciones no intencionadas.

Economía de una IHM

Para implementar una IHM avanzada, se deben implementar subconjuntos clave. Gracias al crecimiento explosivo de los teléfonos móviles y las tabletas, las pantallas de alta resolución y bajo coste están disponibles y son rentables. Lo mismo ocurre con los acelerómetros y las cámaras de vídeo pequeñas, de bajo coste y de alta resolución. Las aplicaciones de gran volumen pueden aprovechar estas tecnologías a costos más bajos que nunca.

Las interfaces de realidad virtual suelen utilizar pantallas de cristal líquido con transistores de película delgada (TFT LCD), mientras que las tecnologías de realidad aumentada prefieren pantallas de diodos emisores de luz orgánicos (OLED) por su transparencia, flexibilidad y falta de requisitos de retroiluminación. A pesar de los mayores costos y la menor madurez de la tecnología OLED actual, las industrias de televisores y teléfonos inteligentes están adoptando rápidamente la tecnología, lo que indica futuras reducciones de costos y mejoras en la disponibilidad.

En el ámbito militar y aeroespacial, los diseños de IHM priorizan la durabilidad y la longevidad. Sin embargo, no todas las aplicaciones requieren un tiempo medio entre fallas (MTBF) tan extendido. Un equipo de diseño capacitado es crucial para equilibrar la durabilidad con la rentabilidad y la reparabilidad para evitar fallas en el campo. Mientras tanto, la práctica de la obsolescencia programada por parte de algunos fabricantes tiene como objetivo fomentar actualizaciones periódicas a modelos más nuevos, destacando un equilibrio entre la longevidad del producto y los ciclos de innovación.

Estado actual de las IHM

Las tabletas y los teléfonos han reemplazado cada vez más a las computadoras de escritorio y portátiles para tareas como navegación personal, transmisión de medios, funciones básicas de oficina como correo electrónico y edición de documentos, e incluso en algunos entornos empresariales donde las computadoras portátiles con pantalla táctil combinan la computadora tradicional con la portabilidad y la interfaz intuitiva de los dispositivos móviles.

Sin embargo, hay aplicaciones en las que este no será el caso, como los diseños CAD y CAE. Por ejemplo, las pantallas grandes y de alta resolución hacen que el diseño de una placa de circuito impreso (PCB) sea más fácil, menos estresante y propenso a errores. No se sorprenda si un fabricante de CAE inteligente comienza a ofrecer una herramienta de diseño de chips o PCB basada en realidad virtual que aproveche imágenes e interfaces avanzadas, como el reconocimiento de voz.

El reconocimiento de voz ha avanzado mucho, pero casi cualquiera que utilice aplicaciones de conversión de voz a texto sabe que aún no es perfecto. Esto continuará mejorando a medida que se utilice tecnología avanzada de procesamiento de señales digitales (DSP) para filtrar ruidos de fondo y discernir sutilezas y continuará mejorando hasta el punto de confiabilidad aceptada una vez que el hardware de IA comience a tomar decisiones y considerar el contexto.

El toque invisible

Una parte integral de las IHM modernas y futuras es la capacidad de obtener retroalimentación física de una máquina virtual. El campo emergente de la háptica proporciona esta funcionalidad, pero aún no de forma económica a gran escala. La retroalimentación háptica representa un salto en la forma en que interactuamos con los sistemas virtuales, ofreciendo sensaciones táctiles que imitan las experiencias de la vida real. Si bien las interacciones tradicionales a menudo dependen de la respuesta táctil de botones o interruptores, las tecnologías más nuevas como la háptica, los comandos de voz y el reconocimiento de gestos están ampliando el alcance de cómo podemos interactuar con las máquinas sin la necesidad de contacto físico, mejorando la experiencia del usuario en las IHM virtuales.

Por ejemplo, algunos sistemas hápticos que ya están en el mercado pueden proporcionar retroalimentación física positiva al presionar un botón virtual a través de un guante que utiliza micro solenoides, presión de aire o transferencias de fluidos (Figura 2). La háptica de varios dedos puede resultar útil al escribir en un teclado virtual. Incluso existen conjuntos de emisores ultrasónicos que pueden dirigir frentes de onda a un punto específico en el aire, haciéndote sentir el clic cuando no hay nada allí.

Figura 2: Los guantes hápticos avanzados detectan y responden con precisión a los movimientos de las manos y los dedos y pueden producir clics táctiles, presiones e incluso temperaturas. (Fuente: Александр Лобач/stock.adobe.com) 

Algunas aplicaciones, como la cirugía remota, requieren retroalimentación táctil más allá de simples clics, lo que requiere una retroalimentación de fuerza precisa para simular acciones como la resistencia que se siente al usar herramientas como bisturíes. Esta experiencia inmersiva exige baja latencia y retroalimentación precisa para garantizar que los cirujanos puedan aplicar la presión correcta. Más allá de los guantes, productos como las sillas de juego de alta gama ofrecen fuerzas G simuladas para experiencias realistas de conducción o vuelo.

Interfaces Neuronales y Más Allá

La investigación y el desarrollo de interfaces neuronales han logrado avances significativos durante la última década, ofreciendo nuevas posibilidades de movilidad y funciones para personas con discapacidades causadas por accidentes o afecciones congénitas. Inicialmente, los sensores de superficie detectaban impulsos nerviosos o movimientos musculares para controlar las prótesis. Los avances en las tecnologías DSP y la potencia informática han permitido un control multisensor más complejo de las extremidades artificiales con entrenamiento.

Un avance fundamental en la tecnología de interfaz neuronal fue la inserción directa de electrodos en el cuerpo, incluido el cerebro, para tratar trastornos como la enfermedad de Parkinson y facilitar la estimulación cardíaca. Un logro temprano notable fue una interfaz de biosilicio creada en la década de 1970 que conectaba neuronas de babosas a circuitos integrados (CI), aprovechando las grandes neuronas de las babosas para la investigación pionera de interfaces neuronales.

Este trabajo preliminar condujo a sofisticadas interfaces multisensor/estimulador capaces de conectar directamente circuitos integrados al cerebro humano. En 2004 se produjo un avance histórico cuando un artista daltónico recibió un implante que le permitía percibir colores más allá del espectro visual normal, desde el infrarrojo hasta el ultravioleta. Esto no sólo compensó su acromatopsia (daltonismo total), sino que también mejoró sus capacidades sensoriales, lo que marcó un paso significativo hacia el aumento de las capacidades humanas a través de la tecnología.

En avances más recientes, Neuralink Corp. desarrolló un chip para interactuar con áreas del cerebro responsables del control motor, permitiendo a los usuarios operar dispositivos como teléfonos celulares y computadoras a través del pensamiento. Esta tecnología se basa en la detección de patrones de activación de neuronas, con posibles aplicaciones futuras que incluyen la restauración de la función motora, el manejo del dolor y la mejora sensorial, como permitir la visión en el espectro infrarrojo o la audición en frecuencias ultrasónicas (Figura 3). Se están realizando investigaciones sobre la decodificación de la actividad neuronal, con posibles aplicaciones que van desde el control del estado de ánimo y la salud hasta la identificación preventiva de conductas violentas, lo que muestra las capacidades amplias y en evolución de las interfaces neuronales.

Figura 3: Concepto artístico de un chip implantado en el cerebro. (Fuente: peterschreiber.media/stock.adobe.com)

Otros usos de las interfaces implantadas en el cerebro

Las interfaces neuronales prometen aplicaciones transformadoras en el entretenimiento y la medicinal detección, intervención y regulación del estado de ánimo. Estas tecnologías se extenderán más allá de los usos tradicionales en el control de máquinas y prótesis médicas, revolucionando potencialmente la forma en que interactuamos con los entornos digitales y gestionamos la salud. Las interfaces neuronales avanzadas podrían permitir experiencias de entretenimiento totalmente inmersivas, simulando sensaciones completamente dentro de la mente del usuario y anunciando una nueva era de realidad virtual y aumentada.

En el sector sanitario, las interfaces neuronales pronto podrían detectar y abordar de forma preventiva afecciones médicas como convulsiones, ataques cardíacos y accidentes cerebrovasculares, gracias a sensores integrados capaces de administrar medicamentos y alertar automáticamente a los proveedores de atención médica. Además, estas interfaces podrían ofrecer enfoques innovadores para gestionar los cambios de humor y la depresión mediante el seguimiento de la química cerebral en tiempo real para mantener el bienestar mental.

Si bien el amplio potencial de las interfaces neuronales es claro, también subraya la necesidad de una cuidadosa consideración de la privacidad, el consentimiento y la autonomía para garantizar su desarrollo y aplicación éticos.

Conclusión

Los avances en las IHM han pasado de herramientas básicas a sistemas avanzados que desdibujan la línea entre tecnología y biología. Los primeros controles mecánicos evolucionaron hasta convertirse en sofisticadas interfaces electrónicas que ofrecían control y retroalimentación precisos. El desarrollo de interfaces neuronales mejora la movilidad de las personas con discapacidad y allana el camino para la comunicación directa entre el cerebro y la computadora. Las IHM de última generación ahora brindan experiencias inmersivas y un control mejorado, y las innovaciones futuras prometen integrar aún más la tecnología en las experiencias humanas, desde mejoras sensoriales hasta intervenciones médicas. A medida que las IHM avanzan, prometen ampliar las capacidades humanas y mejorar la calidad de vida, apuntando hacia un futuro en el que la tecnología y la vida humana estén perfectamente conectadas.

[1] Barbara Symonds Beltz. "El sistema salival de Limax Maximus: morfología y modulación periférica de las neuronas bucales por aferentes de los conductos salivales". Tesis doctoral, Universidad de Princeton, 1979. ProQuest (7928466).

 [2]

 Michelle Z. Donahue, “Cómo un artista daltónico se convirtió en el primer cyborg del mundo”, National Geographic, 3 de abril de 2017, https://www.nationalgeographic.com/science/article/worlds-first-cyborg- ciencia-evolución-humana.

[3]

Denise Chow, “Detrás del chip cerebral de Elon Musk: décadas de investigación y grandes ambiciones para fusionar mentes con computadoras”, NBCNews.com, 4 de febrero de 2024, https://www.nbcnews.com/science/science-news /neuralink-elon-musk-ciencia-detrás-rcna136352.