- Onderzoek , Sluitstuk
- 09/04/2024
Sluitstuk | Ons brein als voorbeeld
Onze hersenen kunnen razendsnel en energiezuinig complexe informatie verwerken. Voor de ontwikkeling van nieuwe computertechnologie wordt daarom met snel groeiende interesse naar het menselijk brein gekeken. TU/e-onderzoeker Imke Krauhausen bouwde nieuwe elektronische devices gebaseerd op neuromorphic computing. Door het gebruik van organische materialen hoopt ze dat haar kunstmatige synapsen uiteindelijk ook voor toepassingen in het menselijk lichaam gebruikt kunnen gaan worden. Woensdag 10 april verdedigt Krauhausen haar promotieonderzoek aan de faculteit Mechanical Engineering.
Als klein kind speelde ze vooral met Playmobil, vertelt Krauhausen enigszins spijtig. “Ik kom er nu pas achter hoe leuk Lego eigenlijk is.” Aan het begin van haar PhD-traject hing ze boven een enorme bak bouwstenen om een robot in elkaar te zetten die haar moest gaan helpen bij haar experimenten. Krauhausen wilde namelijk kijken of ze deze robot kon leren om door een doolhof te lopen. Maar het meest bijzondere bevond zich in de robot zelf: de aansturing gebeurt via een neuromorphic circuit.
“We hebben in het lab kunstmatige synapsen ontwikkeld – de flexibele verbindingen waarmee de afzonderlijke neuronen in onze hersenen met elkaar kunnen communiceren. Deze neuronen maken we met organische polymeren die het menselijk lichaam kan verdragen. Want uiteindelijk willen we ze gaan gebruiken voor toepassingen in het lichaam zelf: een slimme prothese of een metertje dat zich in je lijf kan aanpassen.”
Superefficiënt
Al langere tijd wordt er gekeken naar het functioneren van ons brein, als voorbeeld voor de ontwikkeling van een nieuwe generatie computersystemen. Doordat we steeds meer gebruik maken van slimme apparaten en kunstmatige intelligentie, hebben we ook nieuwe en vooral energiezuinigere computertechnologie nodig, legt Krauhausen uit. “Onze hersenen kunnen dat heel goed. Per uur verbruiken ze slechts 20 Watt voor zeer complexe taken, dat wordt zelfs door de meest ingenieuze supercomputer bij lange niet gehaald. Ons brein is een geweldige inspiratiebron.”
Waar de traditionele computerchips uit silicium en metaal bestaan, werkt de TU/e-onderzoeksgroep Neuromorphic Engineering aan een organisch systeem met water en zout, net zoals in onze hersenen. Daar kunnen synapsen elektrische signalen doorgeven dankzij een ingenieus systeem van zouten en zoutgestuurde kanalen. Ook de elektronische circuits die Krauhausen gebruikte, hebben zo’n zoutkanaal.
“Denk daarbij wel in het klein, zo’n 100 tot 200 micrometer. Veel microscopiewerk in de cleanroom dus. Binnen onze groep werken we met meerdere onderzoekers aan verschillende aspecten van hetzelfde kunstmatige neuronale systeem. Dat gaat van de ontwikkeling van nieuwe organische materialen, het onderzoek van nieuwe algoritmes tot aan het finetunen van de mechanische gedragingen van het device.”
Autonome robot
De focus van Krauhausens onderzoek – een samenwerkingsverband tussen TU/e en het Max Planck Institute of Polymer Research – ligt op de daadwerkelijke toepassing van de in het lab ontwikkelde kunstmatige synapsen. Ze pakt haar proefschrift erbij waarin ze drie voorbeelden in detail heeft uitgewerkt, gedeeltelijk ook in Duitsland. “Ik ben begonnen met het trainen van een enkele kunstmatige synaps, in de Lego-robot. Die moest al lerende zelf de uitgang van het doolhof vinden."
"Ik liet de robot stukken felgekleurd papier zien: linksaf als je dit signaal ziet, rechtsaf als dat signaal afwezig is. En uiteindelijk kon de robot zelfstandig zijn weg vinden door verschillende doolhoven. Dit zijn eerste stappen voor bijvoorbeeld een reddings- of ruimterobot; elke situatie waarin een robot autonoom moet kunnen handelen en zich aan een nieuwe omgeving kan aanpassen, maar waar een grote batterij niet praktisch is.”
Warm en koud
In een vervolgstudie maakte Krauhausen de stap naar een apparaat met twee kunstmatige synapsen, een robotarm. Deze heeft een 3D-geprinte hand, gemaakt van een heel zacht en flexibel materiaal. Een mogelijke interactieve prothese, wijst Krauhausen op een toekomstige toepassing. Ze gebruikte meerdere sensortypes om de robothand het verschil te kunnen laten voelen tussen warm en koud. In de eerste trainingen moet de hand een beker oppakken. Dat lukte, vertelt Krauhausen enthousiast.
“Daarna werden de experimenten spannender. We trainden de hand langdurig om koude en warme oppervlakken te onderscheiden. Het was echt een succesmomentje toen de hand daarna de beker hete thee – au, gevaarlijk – ontweek, maar wel de koude beker vastpakte.” Haar bevindingen betekenen een significante technologische stap in de intelligente robotica. En dat wordt erkend, want net is bekend geworden dat haar bevindingen binnenkort gepubliceerd zullen worden in het vooraanstaande Nature Communications, laat een opgetogen Krauhausen weten.
In de derde studie probeerde Krauhausen het systeem nog verder op te schalen, door een netwerk van kunstmatige synapsen te simuleren dat de bloedglucosewaarde kan voorspellen. “Nu communiceert een patch op je huid met je smartphone of de cloud om de bloedsuikerspiegel te controleren en kan de patiënt een volgende voorspelling handmatig bepalen. Maar dankzij de inzet van kunstmatige synapsen zouden de computerberekeningen voor de glucosevoorspelling ook lokaal op de huid gedaan kunnen worden. We kunnen aantonen dat de uitgevoerde algoritmes door ons kunstmatige neuronetwerk net zo goed uitgevoerd werden dan met het traditionele software netwerk.”
Nieuwe architectuur
Het werk van Krauhausen toont voor het eerst met succes de praktische toepassingen van organische kunstmatige synapsen buiten het lab. Maar om in de toekomst tot daadwerkelijke producten te komen, moet er zeker op het gebied van algoritmes nog veel ontwikkeld worden, benadrukt ze. “Natuurlijk moeten we vervolgstappen zetten op het vlak van het device zelf. Maar daarnaast draait het hier echt om een hele nieuwe vorm van computing. De traditionele systeemarchitectuur moeten we loslaten, en er zijn veel nieuwe algoritmes nodig. Een heel multidisciplinair project dus, en daarom is het ook erg fijn dat we onderdeel zijn van ICMS (Institute of Complex Molecular Structures, red.). Er moet een heel palet aan onderzoekers samenwerken, van scheikundig technologen, werktuigbouwkundigen, materiaaldeskundigen en soft robotica engineers tot aan wiskundigen en ICT’ers. We moesten leren om elkaars taal te spreken en een gemeenschappelijke basis vinden om het grote plaatje te blijven zien. Maar uiteindelijk zijn er mooie bruggen gebouwd”. Ze lacht. “Ook van Lego.”
PhD in the Picture
Wat zien we op je proefschriftkaft?
“Samen met de ICMS Animation Studio hebben we de essentie van mijn onderzoek in één beeld proberen te vangen. Achterop zie je een natuurlijke hersenhelft die verbonden is met allerlei vervlochten neuronen; diezelfde hersenhelft en neuronaal netwerk zijn op de voorkant kunstmatig opgebouwd met elektronica.
Je bent op een verjaardagsfeestje. Hoe leg je in één zin uit wat je onderzoekt?
“Ik probeer met een organisch device de werking van onze hersenen na te bouwen, voor nieuwe complexe en energiezuinige toepassingen.”
Hoe kun je naast je onderzoek stoom afblazen?
Spinning, fietsen, wandelen, boulderen, heerlijk om mijn hersenen even op een andere manier actief te laten zijn. Maar van een lekkere koffie en een goed stuk taart kan ik ook intens genieten.”
Welke tip had je als beginnende PhD-student willen krijgen?
“Je moet het zelf doen, wees daarom zo proactief mogelijk. Praat met mensen, stel veel vragen en probeer je eigen pad te vinden.”
Wat is je volgende hoofdstuk?
“Hoewel ik zeker niet alles dichtgetimmerd wil hebben, is het wel fijn om wat langdurigere vooruitzichten te hebben. Een plek in de academische wereld betekent vaak een traject van competitie en verhuizen. Vooral dat laatste heb ik afgelopen tijd wel genoeg gedaan, en het bevalt me in Eindhoven prima. Bovendien zou ik ook graag zien hoe de ideeën uit het lab in de ‘echte wereld’ werken. Voor echt toegepast onderzoek zoek ik nu het liefst een R&D positie in het bedrijfsleven, alles ligt nog open.”
Discussie