During dexterous manipulation with the fingertips, forces are applied to objects' surfaces. To achieve grasp stability, these forces must be appropriate given the properties of the objects and the skin of the fingertips, and the nature of the task. It has been demonstrated that tactile sensors in the fingertips provide crucial information about both object properties and mechanical events critical for the control of fingertip forces, while in certain tasks vision may also contribute to predictions of required fingertip actions. This thesis focuses on two specific aspects of the sensory control of manipulation: (i) how individual fingers are controlled for grasp stability when people restrain objects subjected to unpredictable forces tangential to the grasped surfaces, and (ii) how tactile sensors in the fingertips encode direction of fingertip forces and shape of surfaces contacted by the fingertips. When restraining objects with two fingers, subjects adjust the fingertip forces to the local friction at each digit-object interface for grasp stability. This is accomplished primarily by partitioning the tangential force between the digits in a way that reflects the local friction whereas the normal forces at the involved digits are scaled by the average friction and the total load. The neural control mechanisms in this task rely on tactile information pertaining to both the friction at each digit-object interface and the development of tangential load. Moreover, these mechanisms controlled the force application at individual digits while at the same time integrating sensory inputs from all digits involved in the task. Microneurographical recordings in awake humans shows that most SA-I, SA-II and FA-I sensors in the distal phalanx are excited when forces similar to those observed during actual manipulation are applied to the fingertip. Moreover, the direction of the fingertip force influences the impulse rates in most afferents and their responses are broadly tuned to a preferred direction. The preferred direction varies among the afferents and, accordingly, ensembles of afferents can encode the direction of fingertip forces. The local curvature of the object in contact with the fingertip also influenced the impulse rates in most afferents, providing a curvature contrast signals within the afferent populations. Marked interactions were observed in the afferents' responses to object curvature and force direction. Similar findings were obtained for the onset latency in individual afferents. Accordingly, for ensembles of afferents, the order by which individual afferents initially discharge to fingertip events effectively represents parameters of fingertip stimulation. This neural code probably represents the fastest possible code for transmission of parameters of fingertip stimuli to the CNS.

The scattered field from an object, when illuminated with ultrasound, is useful in the reconstruction of it's cross section - a problem broadly classified as 'tomography'. In many situations of medical imaging, we will be interested in getting to know the location and the extent of growth of the inhomogeneity. The Maximum Likelihood (ML) estimation of the location and the shape parameters (of scale and orientation angle), has been done along with the corresponding CR bounds, for the case of weakly scattering objects, where the Fourier Diffraction Theorem(FDT) holds. It has been found that the a-priori information of a reference object function helps in drastic reduction of the number of receivers and illuminations required. For a polygonal object, the shape is specified, when the corner locations are known. We have formulated the problem as, estimation of the frequencies of sum of undamped sinusoids. The result is a substantial reduction in the number of illuminations and receivers required. For acoustically soft and rigid polygons, where the FDT does not hold, the necessary theory is developed to show the dependence of the scattered field on the corner location, using an On Surface Radiation Condition(OSRC). The corner locations are estimated along similar lines, to the one adopted for the weakly scattering objects.

Dans les situations du quotidien, nous manipulons fréquemment des objets sans les regarder. Pour effectuer des mouvements vers une cible précise avec un objet à la main, il est nécessaire de percevoir les propriétés spatiales de l’objet. Plusieurs études ont démontré que les sujets peuvent discriminer entre des longueurs d'objet différentes sans l’aide des informations visuelles et peuvent adapter leurs mouvements aux nouvelles caractéristiques inertielles produites lors de la manipulation d’un objet. Dans cette étude, nous avons conduit deux expérimentations afin d’évaluer la capacité des sujets à adapter leurs mouvements d’atteinte à la longueur et à la forme perçues des objets manipulés sur la base unique des sensations non visuelles (sensations haptiques). Dans l'expérience 1, dix sujets devaient exécuter des mouvements d’atteintes vers 4 cibles tridimensionnelles (3D) avec un objet à la main. Trois objets de longueur différente ont été utilisés (pointeurs: 12.5, 17.5, 22.5 cm). Aucune connaissance de la position de la main et de l’objet par rapport à la cible n’était disponible pendant et après les mouvements vers les cibles 3D. Ainsi, lorsque comparé avec les erreurs spatiales commises lors des atteintes manuelles sans pointeur, l’erreur spatiale de chacun des mouvements avec pointeur reflète la précision de l’estimation de la longueur des pointeurs. Nos résultats indiquent que les sujets ont augmenté leurs erreurs spatiales lors des mouvements d’atteinte avec un objet en comparaison avec la condition sans pointeur. Cependant, de façon intéressante, ils ont maintenu le même niveau de précision à travers les trois conditions avec des objets de différentes longueurs malgré une différence de 10 cm entre l’objet le plus court et le plus long. Dans l'expérience 2, neuf sujets différents ont effectué des mouvements d’atteinte vers les mêmes cibles utilisant cette fois-ci deux objets en forme de L (objet no.1 : longueur de 17,5 cm et déviation à droite de 12,5 cm – objet no.2 : longueur de 17,5 cm et déviation à droite de 17,5 cm). Comme c’était le cas lors de l'expérience 1, les sujets ont augmenté leurs erreurs spatiales lors des mouvements d’atteinte avec les objets et cette augmentation était similaire entre les deux conditions avec les objets en forme de L. Une observation frappante de l’expérience 2 est que les erreurs de direction n’ont pas augmenté de façon significative entre les conditions avec objet en forme de L et la condition contrôle sans objet. Ceci démontre que les participants ont perçu de façon précise la déviation latérale des objets sans jamais avoir eu de connaissances visuelles de la configuration des objets. Les résultats suggèrent que l’adaptation à la longueur et à la forme des objets des mouvements d’atteinte est principalement basée sur l’intégration des sensations haptiques. À notre connaissance, cette étude est la première à fournir des données quantitatives sur la précision avec laquelle le système haptique peut permettre la perception de la longueur et de la forme d’un objet tenu dans la main afin d’effectuer un mouvement précis en direction d’une cible. / In everyday situations, we frequently manipulate objects without looking at them. To successfully perform goal directed movements with a handheld unseen object, one needs to perceive the spatial properties of the object. Several studies showed that subjects can discriminate between different object lengths without visual information and are able to adapt movements to novel manipulation dynamics. In this study, we evaluated the ability of subjects to adapt their reaching movements to the perceived length and shape of unseen handheld objects (haptic sensations) in two different experimentations. In experiment 1, ten subjects were required to reach to 4 different memorized 3D targets with handheld objects having three different lengths (12.5, 17.5 and 22.5 cm). No feedback of hand or object position relative to the target location was provided during and after the movements. Therefore, when compared with the ‘control’ no object condition, the spatial error of each movement reflects the precision of length perception and movement adaption in a given condition. Our results show that subjects increased their spatial errors while reaching with a handheld object compared to the no object condition. However, interestingly, they maintained the same accuracy level across the three different object length conditions despite a 10 cm length difference between the shorter and longer object. In experiment 2, nine different subjects reached to the same targets using two L-shaped objects (object no.1: 17.5 cm length and 12.5 cm rightward deviation- object no.2: 17.5 cm length and 17.5 cm deviation). As in experiment 1, subjects increased their spatial errors while reaching with handheld objects, but this increase was similar between the two object shape conditions. A striking observation is that subjects did not significantly increase their directional errors in both object shape conditions compared to the no object condition. This demonstrates that they accurately perceived the lateral deviation of objects despite never seeing nor having any explicit knowledge of object configurations. The results indicate that adaptation of reaching movements to the perceived length and shape of handheld objects is largely based on haptic sensations. To our knowledge, this study is the first to provide a quantitative evaluation of the ability of the haptic system to perceive the length and the shape of handheld objects in order to perform an accurate goal directed movement.

Dans les situations du quotidien, nous manipulons fréquemment des objets sans les regarder. Pour effectuer des mouvements vers une cible précise avec un objet à la main, il est nécessaire de percevoir les propriétés spatiales de l’objet. Plusieurs études ont démontré que les sujets peuvent discriminer entre des longueurs d'objet différentes sans l’aide des informations visuelles et peuvent adapter leurs mouvements aux nouvelles caractéristiques inertielles produites lors de la manipulation d’un objet. Dans cette étude, nous avons conduit deux expérimentations afin d’évaluer la capacité des sujets à adapter leurs mouvements d’atteinte à la longueur et à la forme perçues des objets manipulés sur la base unique des sensations non visuelles (sensations haptiques). Dans l'expérience 1, dix sujets devaient exécuter des mouvements d’atteintes vers 4 cibles tridimensionnelles (3D) avec un objet à la main. Trois objets de longueur différente ont été utilisés (pointeurs: 12.5, 17.5, 22.5 cm). Aucune connaissance de la position de la main et de l’objet par rapport à la cible n’était disponible pendant et après les mouvements vers les cibles 3D. Ainsi, lorsque comparé avec les erreurs spatiales commises lors des atteintes manuelles sans pointeur, l’erreur spatiale de chacun des mouvements avec pointeur reflète la précision de l’estimation de la longueur des pointeurs. Nos résultats indiquent que les sujets ont augmenté leurs erreurs spatiales lors des mouvements d’atteinte avec un objet en comparaison avec la condition sans pointeur. Cependant, de façon intéressante, ils ont maintenu le même niveau de précision à travers les trois conditions avec des objets de différentes longueurs malgré une différence de 10 cm entre l’objet le plus court et le plus long. Dans l'expérience 2, neuf sujets différents ont effectué des mouvements d’atteinte vers les mêmes cibles utilisant cette fois-ci deux objets en forme de L (objet no.1 : longueur de 17,5 cm et déviation à droite de 12,5 cm – objet no.2 : longueur de 17,5 cm et déviation à droite de 17,5 cm). Comme c’était le cas lors de l'expérience 1, les sujets ont augmenté leurs erreurs spatiales lors des mouvements d’atteinte avec les objets et cette augmentation était similaire entre les deux conditions avec les objets en forme de L. Une observation frappante de l’expérience 2 est que les erreurs de direction n’ont pas augmenté de façon significative entre les conditions avec objet en forme de L et la condition contrôle sans objet. Ceci démontre que les participants ont perçu de façon précise la déviation latérale des objets sans jamais avoir eu de connaissances visuelles de la configuration des objets. Les résultats suggèrent que l’adaptation à la longueur et à la forme des objets des mouvements d’atteinte est principalement basée sur l’intégration des sensations haptiques. À notre connaissance, cette étude est la première à fournir des données quantitatives sur la précision avec laquelle le système haptique peut permettre la perception de la longueur et de la forme d’un objet tenu dans la main afin d’effectuer un mouvement précis en direction d’une cible. / In everyday situations, we frequently manipulate objects without looking at them. To successfully perform goal directed movements with a handheld unseen object, one needs to perceive the spatial properties of the object. Several studies showed that subjects can discriminate between different object lengths without visual information and are able to adapt movements to novel manipulation dynamics. In this study, we evaluated the ability of subjects to adapt their reaching movements to the perceived length and shape of unseen handheld objects (haptic sensations) in two different experimentations. In experiment 1, ten subjects were required to reach to 4 different memorized 3D targets with handheld objects having three different lengths (12.5, 17.5 and 22.5 cm). No feedback of hand or object position relative to the target location was provided during and after the movements. Therefore, when compared with the ‘control’ no object condition, the spatial error of each movement reflects the precision of length perception and movement adaption in a given condition. Our results show that subjects increased their spatial errors while reaching with a handheld object compared to the no object condition. However, interestingly, they maintained the same accuracy level across the three different object length conditions despite a 10 cm length difference between the shorter and longer object. In experiment 2, nine different subjects reached to the same targets using two L-shaped objects (object no.1: 17.5 cm length and 12.5 cm rightward deviation- object no.2: 17.5 cm length and 17.5 cm deviation). As in experiment 1, subjects increased their spatial errors while reaching with handheld objects, but this increase was similar between the two object shape conditions. A striking observation is that subjects did not significantly increase their directional errors in both object shape conditions compared to the no object condition. This demonstrates that they accurately perceived the lateral deviation of objects despite never seeing nor having any explicit knowledge of object configurations. The results indicate that adaptation of reaching movements to the perceived length and shape of handheld objects is largely based on haptic sensations. To our knowledge, this study is the first to provide a quantitative evaluation of the ability of the haptic system to perceive the length and the shape of handheld objects in order to perform an accurate goal directed movement.

This diploma thesis deals with a spatial imaging of targets using time-domain radar responses on the max(t,0) pulse. The problem is formulated for both perfectly electrically conductive and dielectric objects. The main aim of the thesis includes a code implementation calculating the profile functions of an unknown object from the mentioned time responses and a code for the subsequent reconstruction of an object in the MATLAB environment. A graphical user interface was created for testing purposes. The 3D probability function technique was used for the final reconstruction. The implemented technique achieves interesting results, which are presented in the final part of this thesis.