SCIENCE JOURNALIST - WRITER - SPEAKER @ ClearScience42 ***** Specialized in artificial intelligence, robots, the brain and Alan Turing***Gespecialiseerd in kunstmatige intelligentie, robots, het brein en Alan Turing.
Saturday, October 25, 2008
Foto’s op mobieltje maken uitwisseling informatie veilig
Dit artikel is gepubliceerd in NRC Handelsblad, 25 oktober 2008
Foto’s die je met je eigen mobieltje maakt, kun je ook gebruiken voor het veilig draadloos uitwisselen van informatie met het mobieltje van iemand anders. Dat heeft promovenda Ileana Buhan van de Universiteit Twente aangetoond in haar proefschrift.
Wie nu via Bluetooth informatie van zijn eigen mobieltje naar dat van een ander stuurt, gebruikt een viercijferige code. Veiligheid en privacy zijn dan niet gegarandeerd. Zo blijken veel mensen als pincode 1234 te kiezen. Een kwaadwillende die een beetje zijn best doet, kan de informatie afluisteren. Nu hebben de meeste mobieltjes tegenwoordig een camera, en Buhan vroeg zich af of je die niet kunt gebruiken om informatie veilig tussen twee mobieltjes te versturen. Dat kan inderdaad, als beide telefoonbezitters al een foto van zichzelf op hun mobieltjes hebben opgeslagen.
Het idee is dat je ter plekke met je mobieltje een foto van de ander maakt, en de ander met haar mobieltje een foto van jou. Elk mobieltje berekent nu een unieke beveiligingssleutel gebaseerd op de opgeslagen foto van jezelf en de zojuist gemaakt foto van de ander. Buhan ontwikkelde hiervoor een wiskundige methode en liet zien dat deze beveiligingssleutel praktisch niet te kraken is. Ook kan de methode omgaan met het herkennen van personen onder verschillende omstandigheden. Het haar kan bijvoorbeeld iets anders zitten dan op de opgeslagen foto, of de gezichtsuitdrukking is net wat anders.
Het gebruiken van deze ter plekke gemaakte foto’s als beveiliging, heeft een aantal voordelen. Het werkt snel, gebruikersvriendelijk en je hoeft geen beveiligingsexpert te zijn. Bovendien heb je geen vooraf aangelegde beveiligingsinfrastructuur nodig, maar creëer je de beveiliging ter plekke.
Persoonlijke foto’s gebruiken om informatie veilig tussen twee mobieltjes te versturen, is een van de mogelijkheden die Buhan heeft onderzocht. Hetzelfde principe werkt ook voor andere biometrische kenmerken dan gezichtsherkenning. Zo zijn er ideeën om het gebruik van een politiepistool biometrisch te beveiligen door de handgrip te voorzien van druksensoren. Het pistool werkt dan alleen als de agent het zelf in zijn handen heeft, en niet als een ander het vasthoudt. Het drukpatroon op de handgreep blijkt namelijk per persoon uniek te zijn. Wat nu als een collega-agent het pistool wil lenen? Dat kan in principe als beide agenten elkaars wapen even vasthouden. Net als bij de foto’s kan er vervolgens een unieke beveiligingscode gemaakt worden die gebaseerd is op de persoonlijke handgrip van beide agenten.
Buhan draagt in haar proefschrift diverse oplossingen aan die het risico beperken dat biometrische gegevens worden misbruikt of omzeild. Ze promoveerde afgelopen donderdag.
Tuesday, October 21, 2008
Talking brain cells
Read this article (in Dutch) to learn how intelligent behaviour can emerge from the cooperation of an enormous amount of simple units, like a single brain cell: http://benniemols.blogspot.com/2008/02/hoe-kan-een-mierenkolonie-intelligent.html
Saturday, October 18, 2008
"Brein verraadt gebrek aan concentratie"
We begrijpen steeds beter wat er in onze hersenen gebeurt. Kunnen we met die kennis ook de communicatie verbeteren tussen mens en machine?
“Neem iemand die in de Schiphol-controletoren werkt”, geeft cognitiewetenschapper Peter Hagoort als voorbeeld. “Hij moet de planning in de gaten houden. Wanneer mag welk vliegtuig opstijgen of landen? Heel geconcentreerd werk. Maar als hij lichamelijk of geestelijk vermoeid is, dan lukt dat niet goed. Zelf hoeft hij dat niet altijd in de gaten te hebben. Als je nu op de werkplek zijn hersenactiviteit meet, dan kun je op tijd waarschuwen wanneer deze persoon niet meer in staat is geconcentreerd zijn werk te doen.”
Het meten van de cognitieve belasting ziet Hagoort als een veelbelovende toepassing van mens-machine-interactie. Toepasbaar in allerlei beroepen die grote concentratie vereisen, en waarvan we weten dat het door een gebrek daaraan soms misgaat.
Professor Peter Hagoort is directeur van het centrum voor cognitieve neuro-imaging van het Donders Institute for Brain, Cognition and Behaviour in Nijmegen. Hij is ook een van de leden van een stuurgroep die in opdracht van de Stichting Toekomstbeeld der Techniek (STT) onderzocht hoe we de toenemende hersenkennis ook buiten de geneeskunde kunnen toepassen. Op 28 oktober wordt het resultaat van deze verkenning – de Engelstalige publicatie Brain Visions – How the neurosciences could change the way we eat, communicate, learn and judge – aangeboden aan minster Plasterk van Onderwijs, Cultuur en Wetenschappen. Mens-machine-interactie is een van de vier maatschappelijke thema’s die aan bod komen, naast onderwijs, voeding en justitie.
Centrale vragen over hoe het brein de machine een hand kan reiken: Kunnen we apparaten slimmer maken door de kennis van onze hersenen te gebruiken? Kunnen we signalen uit de hersenen gebruiken om apparaten aan te sturen? Kunnen we interfaces tussen en mens en machine verbeteren, om vervolgens weer ons eigen leven te vergemakkelijken?
Spitsuur in het brein
Te midden van een breed pallet aan toepassingsmogelijkheden die in Brain Visions kort de revue passeren, beschouwt Hagoort er twee als het meest veelbelovend: een mobiel apparaat dat meet hoe druk het brein bezet is, en een hersenchip waarmee iemand via gedachten een computer of een prothese kan aansturen.
“Hersenen reageren als je iets ziet, hoort, voelt, proeft of ruikt”, vertelt Hagoort over de eerste toepassing. “Maar ook zonder die externe prikkels zijn de hersenen voortdurend bezig. De laatste jaren hebben we steeds meer inzicht gekregen in deze achtergrondactiviteit. Achtergrondactiviteit vormt zelfs het merendeel van de hersenactiviteit, ook als we externe prikkels verwerken. Met een mobiel apparaat dat meet hoe druk het brein bezet is, kun je registreren of iemand in de Schiphol-controletoren wel in staat is tot optimale informatieverwerking.”
Om te meten of het al dan niet spitsuur is in het brein, kan het EEG-signaal worden gebruikt – een meting waarvoor geen logge, niet-verplaatsbare hersenscanner nodig is. Bij de klassieke EEG plaats je namelijk elektroden op iemands schedel, en meet je de elektrische stroompjes die het gevolg zijn van de elektrische communicatie tussen hersencellen. De gemeten stroompjes worden omgezet in een grafiek met een golvend patroon: een optelsom van golven met frequenties tussen 1 en 100 hertz. De karakteristiek van die golven vertelt iets over wat er in de hersenen gebeurt. Hagoort: “We weten bijvoorbeeld dat als je sterkere golven bij een bepaalde frequentie ziet – alfagolven – de hersenen minder open staan voor externe prikkels.”
Over de interpretatie van het EEG-signaal is redelijk wat bekend, maar voordat een bedrijf een cognitieve belastingsmonitor kan ontwikkelen, is nog wel wat onderzoek nodig, zegt Hagoort. “Je moet bijvoorbeeld definiëren welk belastingsniveau je niet meer acceptabel vindt. Bovendien zou je een soort helm moeten ontwikkelen die iemand alleen maar hoeft op te zetten, waarna de cognitieve belasting vervolgens snel online wordt geanalyseerd. Je wilt niet dat iemand eerst een kwartier lang stil moet zitten om zich elektroden op zijn hoofd te laten plakken.”
Monitoren of het al dan niet spitsuur is in het brein kan ook worden gebruikt om apparaten of interfaces aan te passen. Een soort van neuro-ergonomie. Zo hebben recente neuro-imagingstudies laten zien dat zelfs handsfree bellen in de auto de aandacht voor wat er op de weg gebeurt, verlaagt met bijna veertig procent. “Meer algemeen is de vraag waar de grens ligt tussen een acceptabele hoeveelheid informatie en een overvloed”, zegt Hagoort. “Een chauffeur moet tegenwoordig niet alleen op de weg letten, maar heeft vaak ook een navigatiesysteem, een geavanceerd visueel bedieningspaneel en mogelijkheden om te bellen, en radio of muziek te beluisteren.”
Aansturen via gedachten
De hersenchip is volgens Hagoort de tweede veelbelovende toepassing op het terrein van de mens-machine-interactie. Via een hersenchip kan iemand met een verlamming via zijn gedachten bijvoorbeeld een robotarm aansturen of een computer bedienen. Zo kreeg de door een steekpartij verlamd geraakte Amerikaan Matthew Nagle in 2004 een chip in zijn hersenen geïmplanteerd. De chip was een halve centimeter breed en bevatte 96 micro-elektroden. De gemeten hersenactiviteit werd naar een externe computer geleid. Nagle mocht het een jaar proberen. Na training kon hij met zijn gedachten de cursor op een computerscherm aansturen en zo bijvoorbeeld een tv bedienen of e-mail checken. Denken wordt zo rechtstreeks in doen omgezet.
Hoewel het onderzoek al concrete resultaten heeft opgeleverd, liggen er nog flinke hobbels op de weg. Het grootste probleem is om levende hersencellen goed contact te laten maken met een niet-levende chip. Levend weefsel houdt niet zo van contact met niet-biologische materialen. De grote uitdaging is om een langdurige, stabiele verbinding tussen hersencelen en een chip te maken; eentje die niet te lijden heeft onder weefselschade of loslatende neuronen.
Stukje bij beetje wordt er wel vooruitgang geboekt om dode met levende materie te laten praten. Begin 2007 werd in de VS een siliciumchip in een deel van het geheugensysteem van een rat geïmplanteerd. Het was de eerste keer dat een chip niet alleen signalen uit de hersenen ontvangt, maar ook zorgvuldig berekende signalen terugstuurt. De chip gedraagt zich zo een soort elektronische bypass in de hersenen. Zo wordt onderzocht of zo’n chip misschien ooit geheugendefecten kan herstellen.
Daarnaast staat de wetenschap nog voor de uitdaging om hersensignalen juist te interpreteren. Vier postdoconderzoekers houden zich er binnen Hagoorts instituut mee bezig. Ze worden betaald door BrainGain: een consortium waarin universiteiten (Nijmegen, Maastricht, Utrecht, Twente) samenwerken met industriële partners (Philips, Siemens en diverse MKB-bedrijven) en met TNO om hersenkennis dichter bij de markt te brengen.
Een van deze postdocs onderzoekt de mogelijkheid om afasiepatiënten te helpen met een spraakapparaat. Hagoort: “Iemand met een bepaalde vorm van afasie weet bijvoorbeeld wel de betekenis van het woord ‘tafel’ of ‘stoel’, maar op het moment dat hij het wil uitspreken, kan hij niet het juiste klankjasje vinden. Door de patiënt bijvoorbeeld dertig objecten voor te leggen, die hij zeker kent, en het EEG-signaal te meten bij elk van de voorwerpen, hopen we uit de karakteristiek van het signaal af te leiden of iemand bijvoorbeeld ‘tafel’ wil zeggen of ‘stoel’. Als dat lukt, dan kunnen we het hersensignaal aan een spraaksynthesizer koppelen, en zo het bedoelde woord laten horen.”
Patroonherkenning
Een gewaagd idee voor een nieuw soort mens-machine-interactie, is om het sterke punt van het menselijke visuele systeem – patroonherkenning – te combineren met het sterke punt van computers – het verwerken van grote hoeveelheden gegevens zonder een spoor van vermoeidheid. Beeld- en videodatabases groeien jaarlijks exponentieel, dus de vraag naar snelle en slimme beeldanalysesystemen is groot. Onderzoekers van de Amerikaanse Columbia University lieten eerder dit jaar zien dat een integratie van menselijke en computervisie het mogelijk maakt snel door grote hoeveelheden plaatjes te scannen, op zoek naar specifieke situaties.
Zo lieten ze 2500 foto’s van openluchtsituaties aan vijf proefpersonen zien, elke foto niet langer dan vijftig milliseconde. De proefpersonen moesten letten of er wel of niet een persoon op de foto’s stond, terwijl ondertussen het EEG-signaal werd gemeten. Het is bekend dat als een persoon een opvallend element waarneemt, er driehonderd milliseconde later een piek in het EEG opduikt: de P300. Deze treedt op nog voor de persoon zich bewust is van het opvallende element, en dus ook nog voor hij de tijd heeft om bijvoorbeeld op een knop te drukken. Het meten van een P300 is in dit experiment dan een goede aanwijzing voor een foto waarop een mens is afgebeeld. Achteraf kan de proefpersoon dan controleren of dat ook werkelijk zo is. Al met al gaat dit veel sneller dan wanneer de proefpersoon alle 2500 foto’s een voor een bewust moet beoordelen. De detectienauwkeurigheid bleek uit te komen op 92%.
Het opmerken van een persoon in zo’n buitenhuisscène is voor een computer heel lastig, maar voor een mens gemakkelijk. Aan de andere kant kan de computer wel snel in een grote hoeveelheid foto’s bijvoorbeeld de nachtscènes van de dagscènes onderscheiden. De onderzoekers van Columbia University ontwikkelden daarom een systeem dat de kracht van beide combineert: C3 Vision (Cortically Coupled Computer vision system). Toepassingen kunnen bijvoorbeeld liggen in de analyse van de beelden van bewakingscamera’s.
Neurofeedback
Een ander terrein waarop veel onderzoek gebeurt, is dat van de neurofeedback. Uit experimenten is gebleken dat iemand zijn eigen hersenactiviteit via training deels kan controleren door zich bewust te worden van zijn eigen hersenactiviteit. De feedback komt van een computer die als beloning bijvoorbeeld een muziekje laat horen wanneer de gemeten hersengolven de gewenste frequentie vertonen. Bij de verkeerde frequentie volgt er geen beloning.
Wellicht dat neurofeedback gebruikt kan worden voor de behandeling van epilepsie of ADHD. Daarnaast wordt onderzocht of neurofeedback ook de cognitieve prestaties van gezonde personen kan verbeteren, bijvoorbeeld een beter werkgeheugen. De experimenten op deze terreinen hebben echter nog verre van overtuigende resultaten laten zien, hoogstens lichte aanwijzingen van positieve effecten. Hagoort bekijkt ze dan ook kritisch: “Er is een hele neurofeedback-business ontstaan waar fors geld wordt gevraagd voor producten waarvan de resultaten dubieus zijn. Er zit een hoop onzin bij. Neurofeedback biedt een aantal interessante mogelijkheden, maar is zeker geen panacee voor alle kwalen. We weten helemaal nog niet hoe kwalen als ADHD of autisme gerelateerd zijn aan de karakteristieken van een EEG-signaal.”
De neuro- en cognitiewetenschappen bieden allerlei kansen om de mens-machine-interactie te verbeteren, maar we moeten ook geen overspannen verwachtingen wekken, besluit Hagoort. “Het brein is zo complex, dat je niet moet verwachten dat als je het woord ‘neuro’ ergens voorzet, je ook meteen een product hebt en elk probleem kunt oplossen.”
Biografie Peter Hagoort
Naam: Peter Hagoort
Leeftijd: 54
Titels: prof. dr.
Opleiding: psychologie en biologie aan de Universiteit van Utrecht. Experimentele psychologie aan de Radboud Universiteit Nijmegen. Promotie in 1990 aan de Radboud Universiteit Nijmegen.
Functie: Hoogleraar cognitieve neurowetenschappen aan de Radboud Universiteit Nijmegen. Directeur van het centrum voor cognitieve neuro-imaging van het Donders Institute for Brain, Cognition and Behaviour in Nijmegen en eveneens van het Max Planck Instituut voor Psycholinguïstiek. In 2005 won hij de NWO-Spinozaprijs, de hoogste wetenschappelijke onderscheiding in Nederland.
Internet
Meer info over het project ‘Beelden van het Brein’ (BrainVisions): www.stt.nl
Het Nederlandse onderzoeksconsortium BrainGain: www.nici.ru.nl/braingain/
Friday, October 17, 2008
Promovendi-blues
Het doen van promotieonderzoek is dé manier om volwassen te worden als wetenschappelijk onderzoeker. Daarbij hoort ook het omgaan met tegenslagen: onwillige experimenten, theorieën-voor-in-de-prullenbak, maar ook menselijke strubbelingen. Twee oud-promovendi kijken terug op de hobbels tijdens hun promotieonderzoek.
De meeste ideeën verdwijnen in de prullenbak...
Wetenschap bedrijven is het verkennen van een onbekend landschap. Inherent aan die verkenning is dat de promovendus ook een doodlopend pad kan inslaan. Maar ook als een pad doodloopt, kan de promovendus toch hebben aangetoond dat hij uitstekend zelfstandig onderzoek heeft verricht.Prof. dr. Pieter Jan Stappers (gepromoveerd in 1992 aan de Faculteit Industrieel Ontwerpen) was in eerste instantie flink teleurgesteld dat zijn promotieonderzoek geen resultaat opleverde. Maar hij leerde ervan dat de weg naar het doel even waardevol kan zijn als het bereiken van dat doel. En hij schopte het even goed tot hoogleraar ontwerptechnieken aan de faculteit Industrieel Ontwerpen van de TU Delft.
Eind jaren tachtig werd bij de Faculteit Industrieel Ontwerpen onderzoek gedaan naar hoe je met een beter begrip van onze ruimtelijke waarneming het ontwerp van producten zou kunnen verbeteren. Eén onderzoekspad richtte zich op de gevolgen van hoofdbewegingen op de visuele waarneming. Wanneer je bijvoorbeeld gewoon rechtdoor loopt, dan beweegt je hoofd niet zomaar in een rechte lijn. In de beweging van het hoofd komt een soort hobbel te zitten. Stappers wilde in zijn promotieonderzoek experimenteel uitzoeken welk effect die hobbel heeft op onze visuele waarneming. Hij zette een innovatief experiment op waarbij een proefpersoon met een van de eerste toen beschikbare virtual-realityhelmen op zijn hoofd door een soort deuropening moest lopen.
Maar helaas. De promovendus vond geen enkele invloed van de loophobbel op de visuele waarneming. “Destijds was dat een grote teleurstelling”, vertelt Stappers. “Daarbij komt dat het heel moeilijk is om onderzoek te publiceren als je geen effect vindt. Publiceren was toen ook al belangrijk, en dan is het toch vervelend als je niet kunt publiceren over je onderzoek. Maar mijn promotor vertelde me dat promoveren in eerste instantie een proeve van bekwaamheid is en dat ik die had getoond. Bovendien vond ze het belangrijker dat iemand een dappere poging deed die mislukte, dan een risicoloos onderzoek waarvan de uitkomst al bijna vaststaat. Tja, veel blijer werd ik er niet van. Pas later ging ik het positiever zien.”
Exploratie
Terugkijkend beseft Stappers dat je verschillende stadia kunt onderscheiden in wetenschappelijk onderzoek: “De eerste fase is de exploratieve fase, waarin je je afvraagt wat er gebeurt bij een bepaald fenomeen. Daarna bouw je het eerste eenvoudige model om het fenomeen te verklaren. Vervolgens ontwikkel je geavanceerdere modellen die je gaat fijnafstemmen met de werkelijkheid. De meest aansprekende resultaten worden in die laatste fase behaald. Juist in de verkennende fase zijn de doelen die je je stelt vaak niet de grootste waarden die je onderzoek oplevert. De grootste waarden liggen in deze exploratieve fase juist langs het onderzoekspad. En die waarden blijken meestal pas lang nadat het onderzoek is gedaan. Dat was bij mijn promotieonderzoek ook het geval, omdat het onderzoeksthema nog in zo’n exploratieve fase verkeerde.”
Stappers denkt ook dat de techniek die hij toen gebruikte nog niet ver genoeg was ontwikkeld om zijn hypothese te toetsen: “Er zat bijvoorbeeld een vertraging van een kwart seconde op het genereren van de beelden in de virtual-realityhelm. Waarschijnlijk handelt een proefpersoon dan nooit zo natuurlijk als je zou willen. Als ik zou willen volhouden aan mijn eigen hypothese, dan had ik, à la de wetenschapsfilosoof Imre Lakatos, de apparatuur de schuld kunnen geven. Als ik à la wetenschapsfilosoof Karl Popper zou redeneren, dan zou ik moeten zeggen dat de hypothese niet werkt. Zelf kijk ik er meer tegenaan zoals Paul Feyerabend doet. Het doen van onderzoek levert op zichzelf al inzichten op.”
Naïef
Dr. Arjan van Dijk (in 1999 gepromoveerd aan het Laboratorium voor Aëro- en Hydrodynamica van de Faculteit Werktuigbouwkunde en Maritieme Techniek) kwam weer andere hobbels op de promotieweg tegen. Een promovendus in de natuurwetenschappen is vrijwel altijd van anderen afhankelijk: van hoogleraren, van dagelijkse begeleiders, van technici, van collega-promovendi. Van Dijk, tegenwoordig onderzoeker bij het RIVM, liep ongewild op tegen menselijke strubbelingen in de groepsdynamiek. Zijn ‘PhD-blues’ is exemplarisch voor een proces dat veel promovendi zullen herkennen.
“Als promovendus liep ik vooral tegen mijn eigen tekortkomingen aan”, begint hij aan een uitvoerige terugblik. “Ik was met een naïef verwachtingspatroon begonnen: als promovendus word je opgeleid tot zelfstandig onderzoeker, tenminste zo zou het moeten zijn. Maar het woord ‘opleiding’ suggereert dat iemand je ook vertelt waarin je wordt opgeleid en hoe je die leerdoelen kunt gaan bereiken. Dat bleek niet het geval. En trouwens ook niet in het geval van veel andere promovendi die ik heb gezien. Als je niet weet waarvoor je komt, zal niemand je dat vertellen. Door een gebrek aan begeleiding ben ik overal zelf achter moeten komen.”
“Ik denk dat ik zowel last had van een naïef verwachtingspatroon, als van een naïef mensbeeld. Sommige mensen zijn inschikkelijker dan andere. Ik ben van het koppige, stekelige soort, en daar ben ik zeker niet de enige in. Die karaktertrek is enerzijds mijn kracht, maar ik heb geleerd dat ik daar wel mee moet oppassen. Een beter inzicht in hoe mensen met elkaar omgaan, had mijn promotie heel wat soepeler laten verlopen. Ik heb bijvoorbeeld wel eens een bezoek gebracht aan een naburig lab in Delft, waar ze soortgelijk onderzoek deden. Ik wilde praten over mijn werk. Toen ik op mijn eigen lab terugkwam, bleken ze daar al gebeld te zijn dat ik was wezen buurten. Ik kreeg te horen dat het toch helemaal niet kon dat ik met iemand van een ander lab had gesproken. Mensen voelden zich bedreigd. Als ik destijds meer had begrepen van hoe mensen met elkaar omgaan, had ik zo’n probleem kunnen voorzien.”
Meelopers en dwarsliggers
“Alles wat afwijkt van de status quo, roept angst op bij mensen. In de wetenschappelijke biotoop bestaat een vaste lijst van niches. Die lijst is op elk lab hetzelfde. Je hebt de autoriteit, de meelopers, de dwarsliggers, de zwijgers, de praters enzovoort. Het is net als in Amerikaanse films waarin elk typetje een eigen rol speelt. Omdat die typetjes zo goed werken, worden ze in elke film weer gebruikt. Als je in een nieuwe wetenschappelijke omgeving gaat werken, is het voor je eigen overleving handig om een nog vrije niche te claimen die voor niemand een bedreiging vormt. Bij binnenkomst als promovendus heb ik dat fout ingeschat en dan zijn de persoonlijke verhoudingen later moeilijk meer te herstellen. Kennis van groepsdynamica is belangrijk bij het doen van wetenschappelijk onderzoek.”
Door het overwinnen van alle hobbels tijdens zijn promotieonderzoek, leerde van Dijk gelukkig ook de diepe saamhorigheid kennen die er onder onderzoekers kan ontstaan. “Het positieve was dat, omdat andere promovendi vaak voor dezelfde problemen stonden als ik, de groep promovendi op ons lab sterk naar elkaar toe trok. Een gevoel van nerds onder elkaar. Een gevoel van diepe waardering voor elkaar en voor onderzoek doen. In het lab hielpen andere promovendi vaak dagenlang mee met jouw experiment, gewoon omdat ze het voor je over hadden. Wat ook helpt om de hobbels onderweg te overwinnen, is om er ook buiten het lab eens samen op uit te trekken. Ga maar eens samen zeilen, zak maar eens samen door, gooi de frustraties er maar eens uit.”
“Aan het eind van mijn promotieonderzoek bleek ik een stuk signaaltheorie nodig te hebben voor de interpretatie van mijn metingen. Maar ik wist weinig van die tak van sport. Toen ben ik letterlijk bij de TU gaan shoppen om te kijken wie me daarbij kon helpen. Uiteindelijk vond ik inderdaad een signaaltheoreet van een andere faculteit die me heeft geholpen. Ik moest ook ineens boeken doorploeteren waar ik helemaal nooit college in gehad. Maar na het hele traject dat ik al had afgelegd, deerde me dat niets meer. Toen voelde ik dat ik als onderzoeker zelfstandig was geworden.”
Liefde is een werkwoord
Wat ziet van Dijk, een kleine tien jaar na zijn promotie – en in alle rust terugkijkend – als de essentie van het doen van promotieonderzoek? “Voor een perfectionist zoals ik, is de valkuil dat je van je proefschrift een levenswerk wilt maken. Pas in de loop van mijn onderzoek kreeg ik door dat promoveren eerder zoiets is als het halen van je rijbewijs. Als je het hebt gehaald, mag je alleen achter het stuur zitten en zelfstandig rijden. Toen ik als theoretisch fysicus aan mijn promotie begon, was ik in staat om boeken te lezen en sommetjes te maken. Maar dat wil niet zeggen dat je onderzoek kunt doen.”
Gevraagd naar wat er beter had gekund in zijn opleiding tot onderzoeker, grijpt hij terug op het belang van wetenschap als mensenwerk: “Ik zou een groot voorstander zijn van het ongevraagd geven van een boekenpakket aan beginnende promovendi. Een pakket met Het Bureau van Voskuil, en met Nooit meer slapen en Onder professoren van W.F. Hermans. Of ook een dvd met een heel seizoen van de reality-soap ‘Expeditie Robinson’. Alles wat in die boeken staat, is gewoon waar. In Nooit meer slapen lees je precies waar je als promovendus in terecht kunt komen. En stop er dan ook maar het boek Liefde is een werkwoord: spelregels voor een relatie van Alfons Vansteenwegen bij. Dat boek heb ik als promovendus aan veel collega’s uitgeleend. Ik heb meer dan eens gezien hoe de liefde een promovendus kan opbreken of hoe de promovendus een liefde opbreekt.”
Tuesday, October 14, 2008
The engineering journalist
www.wfsj.org
“For a successful technology, reality must take precedence over public relations, for nature cannot be fooled.”
Substitute ‘financial product’ for ‘technology’, ‘economy’ for ‘nature’, and we have formulated the cause of the present day global financial crisis: “For a successful financial product, reality must take precedence over public relations, for economy cannot be fooled.”
The starting quote ends the report of physicist Richard Feynman to the Space Shuttle Challenger inquiry. The Challenger exploded shortly after its launch on January 28, 1986, killing seven people. Engineers had warned before the launch that the so called O-rings were unreliable at low outside temperatures. And on January 28 the launching site had low temperatures. Despite the warnings, managers didn’t want to postpone the launch any longer. They tried to fool nature, the O-rings broke and what follows is tragic history.
Building a Space Shuttle is an art of engineering. And engineering differs from science. Scientists want to understand the world. They simplify a problem till they can solve it. Engineers devise solutions to real problems, thus changing the world. Often they fix a problem without knowing why it works. Trial and error. Nothing wrong with that. That’s what you have to do when the world is too complicated. Engineers deal with the real-life problem with all its dirty traps. Planes not only have to fly when the sky is clear and sunny, also when there is storm and thunder. The science of a flying plane is long known. But engineering a plane is improving every year. It’s the engineer who has to incorporate all the safety aspects in the design of the plane, not the scientist.
The global financial crisis would not have happened if all those innovative financial products were designed by engineers instead of by scientists-trying-to-impress-their-managers-with-fancy-mathematical-money-models. The Americans call them ‘quants’, the quantitative analysts. The ‘quants’ were too much scientist, too little engineers. They had too little feeling for the risks involved.
Of course, not only the scientists-trying-to-impress-their-managers-with-fancy-mathematical-money-models are to blame. Consumers were greedy to buy products they couldn’t buy, and bankers were greedy for selling products and getting high bonuses. But those innovative financial products were clearly very badly engineered.
We, science journalists – as the name tells – concentrate mostly on science. But we too should pay much more attention to the engineering side in our science reporting. It would prevent misunderstanding from the side of the public. A few attention seeking pseudo-scientists claimed earlier this year that the world’s biggest science experiment – the Large Hadron Collider (LHC) in Geneva – might produce tiny black holes that would eat the world in a fraction of a second. They have received more attention then all the LHC-engineering work from the last twenty years all together.
Why we gave a bunch of silly pseudo-scientists so much attention? Because a disaster prediction sells, even if it’s utter nonsense? Why not explaining the difficulty of building this highly complicated accelerator? Think about it: Twenty years of engineering work before the science can start. Can you really expect it to work perfectly from the beginning?
On September 10 a few hundred science journalists were invited to Geneva to hurray the LHC before it had even proved to work as a collider and detector. Protons raced around once in the 27-kilometer loop. There were no collisions, and the energy was much lower than the collider is designed for. Do we hurray something that looks like a plane, but can’t yet fly? No wonder the public was confused to hear that a week after the big hurray, the machine showed some serious problem.
There is much more engineering we, as science journalists, tend to overlook: climate models are engineering models. Here too: there is nothing wrong with that, as researchers have no other option. Let’s just explain it honestly to the public. Climate models are full of empirical rules, and buttons that can be turned left or right, to fix scientific details that we don’t yet understand. But you don’t have to understand everything to produce sound results. That’s what we can learn from engineers.
There is much more engineering in science than we think. And we should better report about it.
Saturday, October 11, 2008
Misschien ligt de oplossing om de hoek, maar ja, welke hoek?
Hij houdt van problemen die je makkelijk kunt formuleren, maar die je juist moeilijk kunt oplossen. Een optimale treindienstregeling, of een optimaal schoolrooster bijvoorbeeld. Problemen die en passant tot de heilige graal van zijn vakgebied kunnen leiden. Een miljoen dollar en eeuwige roem voor wie de graal vindt. Maar Schrijver gaat het om de wiskunde erachter.
Uit een boekenkast vol specialistische wiskundeboeken trekt hij een ogenschijnlijk buitenbeentje: ‘Blauwe Tramlijnen in Kleur’. Een boek vol herinneringen aan de tram van de Noord-Zuid-Hollandse Vervoersmaatschappij, die in de jaren vijftig tussen Amsterdam en Zandvoort reed, precies langs zijn geboortehuis aan de Admiraal de Ruijterweg in de hoofdstad. Deze tramlijn wekte in de kleuterschooljaren al zijn belangstelling voor de tak van wiskunde die hij later ging beoefenen. De jonge Lex Schrijver zag dat de samenstelling van de passerende trams varieerde: verschillende typen rijtuigen, soms langer, soms korter. Hij probeerde er systeem in te ontdekken, en zo kon hij na een tijdje voorspellen in welke samenstelling de tram op een bepaald tijdstip voorbij reed.
Het was de tijd waarin hij samen met zijn vier broers ook eigenhandig dienstregelingen in elkaar knutselde. Ze verzonnen routes door de stad en trokken er met de fiets op uit. In welke tijd moesten ze een stuk fietsen om alle stukken op elkaar te laten aansluiten? Een dienstregeling voor fietsers. Niet dat je er iets aan hebt. Gewoon voor een leuke middag fietsen en puzzelen.
Grensvlak
Vijftig jaar later houdt wiskundige Lex Schrijver (1948) zich nog steeds met planningsproblemen bezig: hoe ontwerp je een optimale treindienstregeling, een optimaal schoolrooster of een optimale postbezorging? Allemaal problemen die vaak onmogelijk veel rekentijd kosten om alle mogelijke combinaties te doorzoeken en dan de beste uit te kiezen. De uitdaging voor de wiskundige is dan om snellere oplossingen te vinden, zonder alle mogelijkheden af te lopen. Combinatoriek, heet het vakgebied. Schrijver werkt aan het Centrum Wiskunde & Informatica (CWI) in Amsterdam en is deeltijdhoogleraar aan de Universiteit van Amsterdam. In 2005 won hij de hoogste Nederlandse wetenschappelijke prijs voor zijn werk, de Spinozaprijs. Ook in het buitenland sleepte hij talloze prijzen in de wacht.
“Mijn vakgebied ligt op het grensvlak van zuiver en toegepast onderzoek”, zegt Schrijver. “Er zijn diepere takken van wiskunde dan combinatoriek. En er zijn ook lastigere praktische problemen. Daar kijk ik allebei niet naar. Ik kijk naar combinatorische problemen die je met mooie wiskunde mooi kunt lossen. En daar zijn er gelukkig meer dan genoeg van.”
Dat zijn wiskundige oplossingsmethoden praktische toepassingen hebben, doet hem uiteraard plezier, maar, zegt hij, wat hem echt drijft is toch het wiskundig puzzelen zelf. Dat ongrijpbare, abstracte denkproces van talloze nieuwe wegen inslaan, de een na de ander zien doodlopen, weer nieuwe wegen ontdekken, en langs een van die wegen opeens een oplossing ontwaren. Schrijver: “Er wordt wel gezegd dat je wiskundige doorbraken voor je dertigste doet. Ik merk echter dat hoe langer ik bezig ben, hoe beter ik combinatorische structuren doorzie. Door deze ervaring bouw je intuïtie op voor welke wegen je wel of niet bewandelt.”
In principe hanteert hij het criterium dat als hij na een paar weken stoeien nog geen vooruitgang heeft geboekt, hij het vraagstuk terzijde legt. ‘Treinproblemen’ noemt hij ze. Ze zijn te riskant om je er dag in dag uit op te storten. Je mag er alleen maar in de trein aan werken – in uren die anders toch maar in het niets glijden. Maar dat terzijde schuiven is lastig, want vaak blijft een probleem ongevraagd knagen. Zo begon hij in 1978 aan een theoretisch probleem, dat hij een paar jaar later opgaf bij gebrek aan vooruitgang. Twintig jaar later schoot de oplossing hem midden in de nacht te binnen, toen hij zijn dochter de fles gaf.
Korter en eleganter
De Hongaar László Lovász, winnaar van de Wolf Prijs – een soort Oscar voor een wiskundige carrière – en ook van de Nederlandse Brouwermedaille, vertelt telefonisch over zijn collega: “Naast prachtige, specialistische wiskundige bewijzen, heeft Schrijver hét standaardwerk over combinatorische optimalisering geschreven: een driedelig boekwerk dat iedereen in het vakgebied bestudeert. Het is uitzonderlijk zorgvuldig geschreven en er ligt uitzonderlijk zorgvuldig literatuur- en historisch onderzoek aan ten grondslag. Daarnaast presenteert hij nieuwe bewijzen, nieuwe manieren om over een probleem na te denken en vooral ook een overkoepelende manier om tegen combinatorische problemen aan te kijken.”
In 1978 begon Schrijver aan het boek. Een jaar had hij er voor uit getrokken. Het werden er 25. Schrijver: “Ik heb het in eerste instantie geschreven voor mezelf. Anders hou je het niet al die jaren vol. Ik heb overal op mijn eigen manier over nagedacht. Steeds vroeg ik me af: kan het niet korter, eleganter, simpeler? In 25 jaar een dik boek schrijven is geen kunst. De uitdaging was om het aantal pagina’s te minimaliseren.”
Moeilijker blijkt makkelijker
Lange tijd werkte Schrijver aan puur theoretische vraagstukken. Dat veranderde toen de NS begin jaren negentig aanklopte met een praktisch probleem. Het bedrijf wilde het beschikbare materieel zo inzetten dat zoveel mogelijk reizigers konden zitten. Specifiek ging het om zogeheten Koplopers, die in kortere en langere uitvoeringen voorkomen. Beide uitvoeringen kun je combineren, en ze worden onderweg soms bij- of afgekoppeld. Omdat ze een verschillend aantal zitplaatsen hebben, bepaalt het verwachte aantal reizigers de mogelijke treincombinaties per rit. Maar er zijn heel veel mogelijkheden. Te veel voor de NS. En te veel voor een softwarebedrijf dat er aan begon.
“Uiteindelijk duurde het tien jaar voor ik de oplossing vond. Je kunt het probleem vertalen in een meetkundig vraagstuk met duizend dimensies. Wat ik ook probeerde, ik kwam op een gegeven moment niet verder. Tot ik het aantal dimensies gingen uitbreiden tot zo’n dertigduizend. Intuïtief denk je dat het probleem daardoor alleen maar moeilijker wordt, maar het werd juist makkelijker. Dat is het rare. Ineens vond ik een snelle oplossing voor het NS-probleem.” Later legde Schrijver samen met CWI-collega Adri Steenbeek ook de wiskundige basis voor de geheel nieuw opgezette NS-dienstregeling, die eind 2006 werd ingevoerd.
Naar aanleiding van krantenartikelen over Schrijvers werk klopte de Universiteit van Maastricht in 1995 aan met een ander nijpend probleem. Co-assistenten dreigden de universiteit met juridische stappen als ze niet op tijd hun co-schappen konden lopen. Door de invoering van een nieuwe studiefinanciering, dreigde voor sommige studenten de studiefinanciering te stoppen voordat ze al hun co-schappen hadden afgerond. Om aan de eisen van de studiefinanciering te voldoen, wilden ze alle co-schappen binnen een bepaalde tijd lopen. Ook dit planningsprobleem werd met collega Adri Steenbeek opgelost.
Schrijver pakt praktische problemen alleen aan als hij er wetenschappelijke grenzen voor moet verleggen. “Anders concurreren we met belastinggeld met de markt, en dat mag natuurlijk niet.” Het grootste deel van zijn Spinozaprijs van anderhalf miljoen euro besteedt Schrijver aan het samenbrengen van fundamentele wiskunde met concrete toepassingen, want daar valt nog een wereld te winnen, vindt hij.
Niveauverlaging
Een klein deel van het prijzengeld gaat naar het interesseren van middelbare scholieren voor het vak. Schrijver heeft een uitgesproken mening over de recente historie van het wiskundeonderwijs in Nederland: “Het axioma is: wiskunde is belangrijk, dus moet iedereen het kunnen. En als niet iedereen het kan, verlagen we het niveau. Wiskundeopgaven worden in een verhaaltje gegoten, maar het achterliggende wiskundeprobleem is vaak makkelijk op te lossen. Voor de potentiële wiskundestudent is dat geen uitdaging meer. Volgens mij kiezen scholieren minder voor wiskunde omdat het te makkelijk is geworden. Omdat het geen wiskunde meer is.”
Juist om scholieren wel uit te dagen, heeft hij samen met een onafhankelijk projectbureau voor natuurwetenschappelijk onderwijs en wetenschapscommunicatie, De Praktijk, het project DisWis opgezet, afkorting voor Discrete Wiskunde. “We willen wiskunde presenteren als een vak met open problemen in plaats van als een vak dat af is. Want dat is de indruk die veel scholieren hebben: een soort gereedschapskist die al compleet is. De lessen worden gegeven door wiskundestudenten. Zij confronteren scholieren in de vijfde klas van het VWO met uitdagende problemen die dicht tegen de praktijk aan liggen. Ook gaan de scholieren op excursie naar een bedrijf dat daadwerkelijk tegen zo’n probleem aanloopt.”
Heilige graal
Veel wiskundige problemen waaraan Schrijver werkt, hebben te maken met de heilige graal van zijn vakgebied. Voor wie deze vindt, ligt een miljoen dollar klaar. Dat is het bedrag dat het Clay Mathematics Institute in het jaar 2000 uitloofde voor de eerste die een antwoord vindt op de vraag waarom sommige combinatorische problemen een snelle oplossingsmethode hebben en andere problemen niet, of beter gezegd: niemand heeft nog een snelle methode gevonden.
Officieel heet de heilige graal het ‘P versus NP’-probleem. NP-problemen zijn problemen waarvan je gemakkelijk kunt testen of een gegeven oplossing correct is, maar moeilijk de correcte oplossing kunt vinden. Een befaamd – sommigen zien het eerder als ‘berucht’ – voorbeeld is het handelsreizigersprobleem. Daarbij staat een handelsreiziger voor de vraag hoe hij de kortste rondreis kan bepalen langs een gegeven aantal plaatsen die hij allemaal moet bezoeken. Dat probleem loopt zo snel uit de hand dat voor vijftig steden al meer dan 10^62 mogelijke routes ontstaan, ofwel een 1 met 62 nullen.
Schrijver: “De naïeve gedachte is dat als je maar genoeg computerkracht combineert, je ook wel alle problemen met een eindig aantal oplossingen kunt doorrekenen. Dat is niet zo. Al zou je kunnen rekenen met alle atomen in het heelal, en dat zelfs vanaf de oerknal, dan nog kun je niet alle oplossingen doorrekenen.”
P staat voor die klasse van problemen waarvoor je wel snel een oplossing kunt vinden, zoals het kortsterouteprobleem. Daarvan wordt de oplossingsmethode – ontwikkeld door de Nederlander Edsger Dijkstra – tegenwoordig standaard in TomTom’s gebruikt. De grote vraag is of je voor alle NP-problemen snelle oplossingsmethoden kunt vinden, zodat het P-problemen worden. Voor het handelsreizigersprobleem, het schoolroosterprobleem en het dienstregelingprobleem is zo’n methode nooit gevonden. Veel wiskundigen denken dat er geen snelle methode bestaat, maar hoe bewijs je dat?
Een wiskundig probleem kraken dat aan de ene kant zo fundamenteel is, en aan de andere kant zoveel praktische toepassingen heeft – dat moet toch de ultieme uitdaging voor een wiskundige zijn. Heeft Schrijver zich er wel eens aan gewaagd? “Af en toe in een vrij uurtje denk je eraan. Maar het probleem is te gevaarlijk. Niemand weet waar hij moet zoeken. Misschien ligt de oplossing om de hoek, maar ja, welke hoek? In de natuurkunde bouwen ze voor een paar miljard een nieuwe deeltjesversneller. Dan heb je een goede kans dat je iets nieuws vindt. Bij onze heilige graal ligt dat anders. Het is niet zo dat als je een paar miljard in het onderzoek stopt, iemand ook gegarandeerd een oplossing vindt. We hebben nog niet eens het begin van een oplossing.”
Help, er zit een fractal in m’n koffie-verkeerd
Koffiefractal ontstaan 70 seconden na het loslaten van een koffiedruppel op een melkoppervlak (voor een betere zichtbaarheid is er Chinese inkt aan de oploskoffie toegevoegd (Bron: Kyushu University, Japan)
Om dezelfde fractal beter zichtbaar te maken, gebruikten de onderzoekers ook een magnetische vloeistof in plaats van koffie (Bron: Kyushu University, Japan)
Sierpinski-tapijt
De koffiefractal vertoont een interessant verschil met gewone fractals zoals riviertakken, bacteriekoloniën en sommige kristalstructuren. Gewone natuurlijke fractals kunnen in principe blijven groeien. De koffiefractal niet, omdat hij delen van zichzelf weer stuk maakt, als gevolg van instabiliteiten aan het oppervlak. Precies dat opeten van stukken van zichzelf – fractalannihilatie – doet het Sierpinski-tapijt ook. Het Sierpinski-tapijt blijkt een goed model om de vorming van een koffiefractal te begrijpen, hoewel het patroon er voor het oog anders uitziet dan de koffiefractal.
Tuesday, October 7, 2008
Vruchtbare stripteasedanseressen, knisperende chips en dure nepmedicijnen
Wat ze gemeen hebben? Dat ze ons hoofd op hol brengen. En alle drie wonnen ze vorige week een IgNobelprijs voor wetenschappelijk onderzoek dat eerst aan het lachen brengt, en daarna aan het denken zet.
Stripteasedanseressen verdienen de grootste fooi tijdens hun vruchtbare dagen, zo ontdekte de bekende evolutionair psycholoog Geoffrey Miller samen met twee collega’s in 2007. Het leverde hen de IgNobelprijs voor economie op. De prijs in de categorie voeding ging naar onderzoekers van de Engelse Oxford Universiteit, die aantoonden dat dezelfde chips beter smaken als ze meer knisperen. Proefpersonen vonden de chips smakelijker en verser wanneer het knapperige geluid op hun koptelefoon werd versterkt, en ook wanneer de hogere frequenties selectief werden versterkt. De IgNobelprijs met wellicht de grootste praktische gevolgen is die voor de geneeskunde. Eerder dit jaar demonstreerde de Amerikaan Dan Ariely dat mensen meer effect ervaren van duurdere nepmedicijnen dan van goedkopere, omdat hun verwachtingspatroon hoger is.
In totaal werden afgelopen donderdagnacht tien IgNobelprijzen uitgereikt in het Sanders Theatre van de Harvard University (VS) – een jaarlijks terugkerend absurdistisch spektakel dat zo’n cultstatus heeft bereikt dat ook de winnaars van een echte Nobelprijs graag van de partij zijn. Zij reiken de IgNobelprijzen uit en zingen vrolijk mee in een wetenschappelijke miniopera.
De IgNobelwinnaars mogen een dankwoord van een minuut houden, maar geen seconde langer. Doen ze dat wel, dan jaagt een achtjarig meisje – Miss Sweetie Poo – ze van het podium met de woorden: “Please stop. I’m bored.” De drie Japanse winnaars in de categorie cognitieve wetenschappen zongen trouwens driestemmig hun prijsaanvaarding. In 2000 publiceerden ze in Nature dat een slijmzwam een doolhofpuzzel kan oplossen. Uit vier mogelijke routes tussen een ingang en een uitgang – allebei van een slijmzwamlekkernij voorzien – koos de slijmzwam de kortste route. Acht uur deed het primitieve organisme erover. Eenvoudig cellulaire intelligentie, volgens de Japanners.
De biologieprijs ging naar onderzoekers die ontdekten dat hondenvlooien hoger springen dan kattenvlooien, en de natuurkundeprijs naar wetenschappers die verklaarden waarom een bosje haren of draden na een tijdje schudden in de knoop raakt, een ergernis die iedereen kent die geregeld het koptelefoontje van z’n mp3-speler uit de tas haalt. De scheikundeprijs werd gedeeld door een onderzoeksteam dat in 1985 spermadodende eigenschappen van Cola aantoonde (Diet Coke deed het trouwens beduidend beter dan gewone Cola), en een ander team dat twee jaar later bewees dat de vaginale Coladouche desalniettemin ongeschikt is als anticonceptiemiddel.
Deel van de feestelijkheden is ook de jaarlijkse win-a-date-wedstrijd. Prijs was dit jaar een date met de wiskundige Benoit Mandelbrot, grondlegger van de fractalmeetkunde en chaosonderzoeker (van onder andere beurskoersen). 83 jaar is Mandelbrot inmiddels, maar hij maakte graag zijn opwachting. In de Boston Globe vertelde hij dat hij net als veel wetenschappers de zeldzame gelegenheden koestert om uit het keurslijf van het serieuze en competitieve wetenschappelijke bestaan te breken en nog eens als een spontaan kind te kunnen spelen.
Tijdens de win-a-date zei de spreekstalmeester over de felbegeerde date: “Als je orde wilt in je chaos, dan heeft dr. Mandelbrot wat je wilt.” Winnares werd een jonge dame, die na een omhelzing wanhopig aan de wiskundige vroeg: “Wat gaan we nu doen?”