En el área temática de la teoría de control , un modelo interno es un proceso que simula la respuesta del sistema para estimar el resultado de una perturbación del sistema. El principio del modelo interno fue articulado por primera vez en 1976 por BA Francis y WM Wonham [1] como una formulación explícita del teorema del buen regulador de Conant y Ashby. [2] Se contrapone al control clásico, en que el bucle de retroalimentación clásico no logra modelar explícitamente el sistema controlado (aunque el controlador clásico puede contener un modelo implícito). [3] [4]
La teoría del modelo interno del control motor sostiene que el sistema motor está controlado por las interacciones constantes de la “ planta ” y el “ controlador ”. La planta es la parte del cuerpo que se controla, mientras que el modelo interno en sí se considera parte del controlador. La información del controlador, como la información del sistema nervioso central (SNC) , la información de retroalimentación y la copia de eferencia , se envía a la planta, que se mueve en consecuencia.
Los modelos internos se pueden controlar mediante control de retroalimentación o de avance . El control de avance calcula su entrada en un sistema utilizando únicamente el estado actual y su modelo del sistema. No utiliza retroalimentación, por lo que no puede corregir errores en su control. En el control de retroalimentación, parte de la salida del sistema se puede realimentar a la entrada del sistema, y el sistema puede entonces realizar ajustes o compensar errores a partir de su salida deseada. Se han propuesto dos tipos principales de modelos internos: modelos de avance y modelos inversos. En las simulaciones, los modelos se pueden combinar para resolver tareas de movimiento más complejas.
En su forma más simple, los modelos avanzados toman la entrada de un comando motor a la “planta” y generan una posición prevista del cuerpo.
La entrada de comandos del motor al modelo de avance puede ser una copia de eferencia, como se ve en la Figura 1. La salida de ese modelo de avance, la posición predicha del cuerpo, se compara luego con la posición real del cuerpo. La posición real y predicha del cuerpo pueden diferir debido al ruido introducido en el sistema por fuentes internas (por ejemplo, los sensores corporales no son perfectos, ruido sensorial) o externas (por ejemplo, fuerzas impredecibles desde fuera del cuerpo). Si las posiciones corporales real y predicha difieren, la diferencia se puede retroalimentar como una entrada en todo el sistema nuevamente para que se pueda formar un conjunto ajustado de comandos del motor para crear un movimiento más preciso.
Los modelos inversos utilizan la posición deseada y real del cuerpo como entradas para estimar los comandos motores necesarios que transformarían la posición actual en la deseada. Por ejemplo, en una tarea de alcanzar el brazo, la posición deseada (o una trayectoria de posiciones consecutivas) del brazo se introduce en el modelo inverso postulado, y el modelo inverso genera los comandos motores necesarios para controlar el brazo y llevarlo a esta configuración deseada (Figura 2). Los modelos internos inversos también están en estrecha conexión con la hipótesis de la variedad no controlada (UCM) , consulte también aquí .
El trabajo teórico ha demostrado que en los modelos de control motor, cuando se utilizan modelos inversos en combinación con un modelo directo, la copia eferente de la salida del comando motor del modelo inverso se puede utilizar como entrada a un modelo directo para realizar predicciones adicionales. Por ejemplo, si, además de alcanzar con el brazo, se debe controlar la mano para agarrar un objeto, se puede introducir una copia eferente del comando motor del brazo en un modelo directo para estimar la trayectoria prevista del brazo. Con esta información, el controlador puede generar el comando motor apropiado que le indique a la mano que agarre el objeto. Se ha propuesto que, si existen, esta combinación de modelos inversos y directos permitiría al SNC realizar una acción deseada (alcanzar con el brazo), controlar con precisión el alcance y luego controlar con precisión la mano para agarrar un objeto. [5]
Partiendo del supuesto de que se pueden adquirir nuevos modelos y actualizar los modelos preexistentes, la copia de eferencia es importante para el control adaptativo de una tarea de movimiento. Durante la duración de una tarea motora, una copia de eferencia se introduce en un modelo directo conocido como predictor de dinámica, cuya salida permite predecir la salida motora. Al aplicar técnicas de la teoría de control adaptativo al control motor, la copia de eferencia se utiliza en esquemas de control indirecto como entrada al modelo de referencia.
Una amplia gama de científicos contribuye al progreso de la hipótesis del modelo interno. Michael I. Jordan , Emanuel Todorov y Daniel Wolpert contribuyeron significativamente a la formalización matemática. Sandro Mussa-Ivaldi , Mitsuo Kawato, Claude Ghez, Reza Shadmehr , Randy Flanagan y Konrad Kording contribuyeron con numerosos experimentos de comportamiento. El modelo DIVA de producción del habla desarrollado por Frank H. Guenther y colegas utiliza modelos directos e inversos combinados para producir trayectorias auditivas con articuladores de habla simulados. Iaroslav Blagouchine y Eric Moreau desarrollaron dos interesantes modelos internos inversos para el control de la producción del habla [6] . [7] Ambos modelos combinan los principios óptimos y la hipótesis del punto de equilibrio (los comandos motores λ se toman como coordenadas del espacio interno). El comando motor de entrada λ se encuentra minimizando la longitud del camino recorrido en el espacio interno, ya sea bajo la restricción acústica (el primer modelo), o bajo las restricciones acústicas y mecánicas (el segundo modelo). La restricción acústica está relacionada con la calidad del habla producida (medida en términos de formantes ), mientras que la mecánica está relacionada con la rigidez del cuerpo de la lengua. El primer modelo, en el que la rigidez permanece sin control, está de acuerdo con la hipótesis UCM estándar . Por el contrario, el segundo modelo interno óptimo, en el que se prescribe la rigidez, muestra la buena variabilidad del habla (al menos, en el rango razonable de rigidez) y está de acuerdo con las versiones más recientes de la hipótesis de la variedad no controlada (UCM) . También existe una rica literatura clínica sobre modelos internos que incluye el trabajo de John Krakauer , [8] Pietro Mazzoni, Maurice A. Smith, Kurt Thoroughman , Joern Diedrichsen y Amy Bastian .