Skip to content
Home » Wiggling naar bio-geïnspireerde machine-intelligentie | MIT Nieuws

Wiggling naar bio-geïnspireerde machine-intelligentie | MIT Nieuws

    Wiggling naar bio-geïnspireerde machine-intelligentie |  MIT Nieuws

    Juncal Arbelaiz Mugica is geboren in Spanje, waar octopus een veelvoorkomend menu-item is. Arbelaiz waardeert octopus en soortgelijke wezens echter op een andere manier, met haar onderzoek naar de theorie van zachte robotica.

    Meer dan de helft van de zenuwen van een octopus is verdeeld over zijn acht armen, die elk een zekere mate van autonomie hebben. Dit gedistribueerde detectie- en informatieverwerkingssysteem intrigeerde Arbelaiz, die onderzoekt hoe gedecentraliseerde intelligentie kan worden ontworpen voor door mensen gemaakte systemen met ingebouwde detectie en berekening. Aan het MIT is Arbelaiz een student toegepaste wiskunde die werkt aan de fundamenten van optimale gedistribueerde controle en schatting in de laatste weken voordat ze haar doctoraat in deze casus afrondt.

    Ze vindt inspiratie in de biologische intelligentie van ongewervelde dieren zoals octopus en kwallen, met als uiteindelijk doel het ontwerpen van nieuwe controlestrategieën voor flexibele “zachte” robots die kunnen worden gebruikt in krappe of delicate omgevingen, zoals een chirurgisch hulpmiddel of voor zoek- en – reddingsmissies.

    “Door de zachtheid van zachte robots kunnen ze zich dynamisch aanpassen aan verschillende omgevingen. Denk aan wormen, slangen of kwallen en vergelijk hun bewegings- en aanpassingsvermogen met die van gewervelde dieren”, zegt Arbelaiz. “Het is een interessante uitdrukking van belichaamde intelligentie – het ontbreken van een rigide skelet biedt voordelen voor bepaalde toepassingen en helpt om efficiënter om te gaan met onzekerheid in de echte wereld. Maar deze extra zachtheid brengt ook nieuwe systeemtheoretische uitdagingen met zich mee.”

    In de biologische wereld wordt de “controller” meestal geassocieerd met de hersenen en het centrale zenuwstelsel – het creëert motorische commando’s voor de spieren om beweging te bereiken. Kwallen en een paar andere zachte organismen missen een gecentraliseerd zenuwcentrum of brein. Geïnspireerd door deze observatie werkt ze nu aan een theorie waarin soft-robotsystemen kunnen worden bestuurd met behulp van gedecentraliseerde sensorische informatie-uitwisseling.

    “Als detectie en bediening in het lichaam van de robot zijn verdeeld en de computercapaciteiten aan boord beperkt zijn, kan het moeilijk zijn om gecentraliseerde intelligentie te implementeren”, zegt ze. “We hebben dus dit soort gedecentraliseerde schema’s nodig die, ondanks het alleen lokaal delen van sensorische informatie, het gewenste wereldwijde gedrag garanderen. Sommige biologische systemen, zoals de kwal, zijn mooie voorbeelden van gedecentraliseerde controle-architecturen – voortbeweging wordt bereikt in de afwezigheid van een (gecentraliseerd) brein. Dit is fascinerend in vergelijking met wat we kunnen bereiken met door mensen gemaakte machines.”

    Een vloeiende overgang naar MIT

    Haar afstudeerstudies aan de Universiteit van Navarra in San Sebastian leidden tot haar samenwerking met MIT-professor John Bush op het gebied van vloeistofdynamica. In 2015 nodigde hij Arbelaiz uit naar MIT als gaststudent om druppelinteracties te onderzoeken. Dit leidde tot hun paper in 2018 in fysieke beoordelingsvloeistoffen, en haar streven naar een doctoraat aan het MIT.

    In 2018 verschoof haar promotieonderzoek naar het interdisciplinaire Sociotechnical System Research Center (SSRC), en wordt nu geadviseerd door Ali Jadbabaie, de JR East Professor of Engineering en hoofd van de afdeling Civil and Environmental Engineering; en School of Engineering Associate Dean Anette “Peko” Hosoi, die de Neil en Jane Pappalardo hoogleraar werktuigbouwkunde is, evenals een professor in toegepaste wiskunde. Arbelaiz werkt ook regelmatig samen met Bassam Bamieh, associate director van het Center for Control, Dynamical Systems, and Computation aan de University of California in Santa Barbara. Ze zegt dat het werken met dit team van adviseurs haar de vrijheid geeft om de multidisciplinaire onderzoeksprojecten te verkennen die haar de afgelopen vijf jaar hebben aangetrokken.

    Ze gebruikt bijvoorbeeld systeemtheoretische benaderingen om nieuwe optimale controllers en schatters te ontwerpen voor systemen met spatiotemporele dynamiek, en om een ​​fundamenteel begrip te krijgen van de sensorische feedbackcommunicatietopologieën die nodig zijn om deze systemen optimaal te besturen. Voor de zachte robottoepassingen komt dit neer op het rangschikken van welke sensorische metingen belangrijk zijn om elk van de “spieren” van deze robot het beste te activeren. Zijn de prestaties van de robot afgenomen toen elke actuator alleen toegang heeft tot de dichtstbijzijnde sensorische metingen? Haar onderzoek kenmerkt een dergelijke wisselwerking tussen closed-loop prestaties, onzekerheid en complexiteit in ruimtelijk gedistribueerde systemen.

    “Ik ben vastbesloten om de kloof tussen machine-autonomie, systeemtheorie en biologische intelligentie te overbruggen”, zegt ze.

    Volgend hoofdstuk

    Een tweejarige Schmidt Science Fellowship, die jonge onderzoekers financiert om postdoctorale studies te volgen in een ander veld dan hun afstudeerwerk, stelt Arbelaiz in staat om na zijn afstuderen het snijvlak van biologische en machine-intelligentie verder te verkennen.

    Ze is van plan haar postdoctijd aan de Princeton University door te brengen met professor Naomi Leonard en samen te werken met onderzoekers in systeembiologie, informatica en robotica om de betrouwbaarheid en robuustheid van biologische en kunstmatige ensembles te onderzoeken. Ze is met name geïnteresseerd in het leren hoe biologische systemen zich efficiënt aanpassen aan verschillende omgevingen, zodat ze deze kennis kan toepassen op door mensen gemaakte systemen, zoals autonome machines, waarvan de kwetsbaarheid voor lawaai en onzekerheid veiligheidsproblemen veroorzaakt.

    “Ik voorzie een ongekende revolutie op het gebied van autonome en intelligente machines, mogelijk gemaakt door een vruchtbare symbiose tussen systeemtheorie, berekening en (neuro)biologie”, zegt ze.

    Vooruit betalen

    Arbelaiz groeide op in Spanje en was zich terdege bewust van het voorrecht toegang te hebben tot een betere opleiding dan haar ouders. Haar vader behaalde een graad in economie door middel van onafhankelijke studie terwijl hij werkte om zijn gezin te onderhouden. Zijn dochter erfde zijn doorzettingsvermogen.

    “De ontberingen die mijn ouders hebben meegemaakt, hebben ervoor gezorgd dat ze autodidactisme, levenslang leren en kritisch denken koesteren”, zegt ze. “Ze hebben deze waarden aan mij doorgegeven, dus ik groeide op tot een nieuwsgierig en volhardend persoon, enthousiast over wetenschap en klaar om elke educatieve kans te grijpen.”

    In een verlangen om dit door te geven aan anderen, begeleidt ze STEM-studenten die geen begeleiding of middelen hebben. “Ik ben er vast van overtuigd dat we talent overal moeten promoten, en mentoring zou de belangrijkste drijfveer kunnen zijn om ondervertegenwoordigde minderheden aan te moedigen om een ​​loopbaan in STEM na te streven”, zegt ze.

    Als pleitbezorger voor vrouwen in STEM maakte ze deel uit van het uitvoerend comité van Graduate Women bij MIT (GWAMIT) en MIT Women in Mathematics, en neemt ze deel aan verschillende panels en workshops. Ze voert ook live-experimenten uit voor kinderen, zoals bij de Girls Day-evenementen van het MIT Museum.

    “Als wetenschappers zijn we verantwoordelijk om onze kennis te delen, het publiek te informeren over wetenschappelijke ontdekkingen en de impact ervan, en om het bewustzijn te vergroten over de waarde van onderzoek en de noodzaak om erin te investeren.”

    Arbelaiz ondersteunt ook MIT’s Covid-19 outreach-inspanningen, waaronder gesprekken over de wiskundige modellering van het virus, en het vertalen naar het Baskisch van haar voormalige mentor John Bush’s MIT Covid-19 Indoor Safety-app.

    Deze interesse om haar STEM-kennis vooruit te betalen, schrijft ze toe aan haar MIT-opleiding.

    “MIT is tot nu toe een van de beste ervaringen van mijn leven geweest: het heeft geleid tot een enorme academische, professionele en persoonlijke groei”, zegt ze. “Ik deel de smaak van MIT voor collaboratief en multidisciplinair onderzoek, de aantrekkingskracht op intellectuele uitdagingen en het enthousiasme voor het bevorderen van wetenschap en technologie ten behoeve van de mensheid.”

    .