Monday, December 27, 2010

Farewell to the Turing Test - revisited

On September 25, I wrote an article in NRC Handelsblad, arguing that the Turing Test is outdated and that it's time to say farewell to the Turing Test as a way to decide whether or not machines can think.

[Use if you want to get an automatic translation of my NRC-article originally written in Dutch]

In the International Computer Games Association Journal, professor Jaap van den Herik, a specialist in artificial intelligence, refers to my article and seems to agree with me that it is time to say farewell to the Turing Test.

Here is the text of his contribution:


Sixty years after Alan Turing’s seminal article in which he introduced the Imitation Game, the discussion on the scientific value of the game is still lively and challenging. Nowadays the Imitation Game is called the Turing Test. A modern and more practical form of this test is the Loebner Prize contest, which will have had its 20th edition on October 23, 2010.

It is safe to say that “passing the Turing Test” has served for sixty years as a paradigm for researchers in Artificial Intelligence, Cognitive Science, Philosophy, and Natural Language Processing. It is attractive to compare the outcome of the “thinking” process of a machine to the result of the thinking process of a human being. In the beginning (1950) such a machine was a one-processor engine and the contest was challenging for engineers and scientists. Gradually, the power of the machine increased and its storage capacities grew beyond the limits that are imposed by nature on human beings. (Here I admit that, in the future, technology may help human brains to augment the memory capabilities, but I disregard this development for the moment.)

The question I would like to address here is the following: is the Turing Test still relevant to our researchers? We assume that some of our readers will answer this question by ‘yes’. In particular, the Editorial Board may be expected to give this answer since we publish in this issue a contribution by Maarten van Emden and André Vellino, titled From Chinese Room to Human Window. Humanising the title would lead to: “From Searle to Michie and back again, with Turing as interested spectator.”

A fair Turing Test would be a test between equally capable entities. From 1950 to 1990 a test between a computer and a human being on their thinking capabilities in one or another area (or even in all areas of thinking) could be considered as a rather fair contest. However, since 1990 the information technology world has experienced accelerating progress in areas such as supercomputers, the Internet, multi-processor systems, and distributed multi-agent systems. Can we consider the Internet or a multi-agent system as an entity? If the answer is affirmative, then the next question is: can we consider such an entity as a suitable opponent for a human being in a Turing Test?

Recently, the Dutch journalist Bennie Mols discussed this topic in the Dutch daily paper NRC Handelsblad. In the article, the philosopher Johan van Benthem criticised the Turing Test by remarking that a network of computers is not the same as “a machine”. His argument was as follows. For a machine, we have a model (i.e., the Turing machine); for networks with many computers involved we lack an acceptable theoretical model. His second criticism was directed at the dichotomy of the outcome: it is either passing the Turing Test or not passing the Turing Test. There is no measure on the outcome, e.g., the machine scored reasonably well, or it achieved 40 per cent.

From the perspective of Artificial Intelligence and Cognitive Science, there are many more criticisms on the value of the Turing Test with respect to the current status of the technology. We mention (1) reactions on environmental input and (2) non-verbal communication.

In the same article, the Dutch scientist Frank van Harmelen states: “On the one hand, I believe that the Turing Test currently is an obstacle for scientific research to understand the very nature of artificial intelligence (...). On the other hand, I still consider a computer that passes the Turing Test as a fulfilment of the extreme dream of our research community, comparable to the extreme dream in physics on a Theory of Everything. We should keep that dream, but not take it as a guideline for our research.”

In the world of chatter bots, conversational systems, robots, and androids, much discussion is devoted to the value of the Turing Test. In the 2006 conference celebrating 50 years of Artificial Intelligence, participants could fill in a questionnaire on the “passing of the Turing test” (i.e., computers are able to mimic human intelligence). Forty-one per cent of the respondents believed that passing the test never happen. Another forty- one per cent believed it to be possible (but that it would take over fifty years to happen). Apparently, Ray Kurzweil is an exception (cf. Mols, 2010).

In the previous issue we discussed the notion of a paradigm shift with respect to minimax and MCTS. Simultaneously we were facing the fact that the Drosophila Melanogaster had lost its paradigm function. Your Editor believes that we are now at the point of saying Farewell to the Turing Test."

Jaap van den Herik

Mols, B. (2010). De computer kletst maar wat. NRC Handelsblad, Science, September 25 & 26, pp. 8-9. 

Thursday, December 23, 2010

Xenonatomen maken met laserlicht een hologram van zichzelf

Dit artikel is gepubliceerd in NRC Handelsblad van zaterdag 18 december 2010

                              Hologram van een xenon-atoom, gemeten met de FELICE-laser 
                              van het FOM-instituut voor plasmafysica Rijnhuizen
                                                                      Credit: Stichting FOM

Op elk eurobankbiljet zit een zilverkleurig hologram. In het licht toont het een ruimtelijke afbeelding in regenboogkleuren, want licht maakt de kleurige informatie zichtbaar die in het hologram ligt opgeslagen. Natuurkundigen van de instituten AMOLF en Rijnhuizen (Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie) hebben nu voor het eerst atomen een hologram van zichzelf laten maken (Science, 16 december). 

Promovenda en eerste auteur Ymkje Huismans bescheen atomen van het edelgas xenon met infraroodlicht van de FELICE-laser in Rijnhuizen. Dat laserlicht trok het buitenste elektron weg uit zo’n atoom, zodat een ion (het atoom minus één elektron) achterbleef. Vervolgens stuurde de laser het elektron vanaf grote afstand weer terug in de richting van het achtergebleven ion.

Hierbij kon het elektron twee paden volgen: een wijde boog rond het ion, of terug ernaartoe, maar zonder dat het weer bij het ion ging horen – het reisde er als het ware doorheen. Omdat elektronen naast een deeltjeskarakter ook een golfkarakter hebben, hoort bij elk elektron een golffunctie. In die golffunctie slaan de elektronen informatie op over hun wisselwerking met het ion.

In het experiment gebeurde dit met veel xenonatomen. Er ontstonden twee elektronenbundels, die elk een ander pad hadden doorlopen. Huismans liet die op een detector vallen. Deze mat het interferentiepatroon van de twee elektronenbundels, ofwel de manier waarop het golfkarakter van deze bundels elkaar versterkten en uitdoofden. Het interferentiepatroon bleek precies een hologram: een driedimensionale afbeelding van een xenon-ion. De xenonatomen creëerden dus met hun eigen elektronen een hologram van zichzelf.

Onverwacht bleek dit hologram ook tijdsinformatie te bevatten over de stappen waarin het ionisatieproces verloopt. En dat is informatie op de ultrakorte tijdschaal van attoseconden (10^-18 seconde), precies de tijdschaal waarop elektronen tijdens chemische reacties bewegen.

Dat betekent dat de nieuwe holografische techniek een aanvulling kan vormen op bestaande technieken voor het bestuderen van chemische reacties. De techniek is bij uitstek geschikt voor onderzoek aan moleculen waarin de buitenste elektronen niet zo sterk gebonden zijn.

Tuesday, December 14, 2010

IBM-Supercomputer Watson going to challenge two best human players in Jeopardy!

Today, IBM has announced that supercomputer Watson is going to challenge the two best human players in history in America's most popular tv-quiz Jeopardy! The match will take place on three consecutive days: February 14, 15 and 16 in 2011.

In this month's Dutch popular science monthly NWT Magazine I have written an article about this next big intellectual challenge between man and computer.

In 1997 supercomputer Deep Blue beat chess world champion Gary Kasparov.

Will IBM's supercomputer Watson beat the two best human players in Jeopardy in 2011? And will we get finally good question-answer-machines thanks to it?

Internet IBM explains: ‘What is Watson?’ The Jeopardy-quiz IBM’s Watson on YouTube (1) IBM’s Watson on YouTube (2) About the IBM Blue Gene Supercomputers American company LCC (Language Computer Corporation) already sells question-answer-machines

Saturday, December 4, 2010

Machines - nu mét intelligentie

De afgelopen jaren hebben een stille revolutie laten zien in de kunstmatige intelligentie en robotica: toepassing van slimme statistische technieken op grote hoeveelheden data. Het Nijmeegse symposium Intelligent Machines gaf op 17 november enkele inspirerende voorbeelden. 

              MIT-robotica-onderzoeker Nicholas Roy (links) met de robotrolstoel

Dit artikel is geschreven voor de nieuwsbrief van het Donders Instituut

Meer dan tweehonderd mensen van universiteiten, bedrijven en overheid vullen de concertzaal van De Vereeniging in Nijmegen. Allemaal afgekomen op het symposium Intelligent Machines, georganiseerd door de Stichting Neurale Netwerken (SNN). Het symposium brengt de in Nederland werkende onderzoekers op het terrein van de kunstmatige intelligentie samen. “Het doel is om het vakgebied beter op de kaart van Nederland zetten”, zegt Bert Kappen, als hoogleraar neurale netwerken en machine-intelligentie verbonden aan het Donders Instituut. Kappen is de motor achter het symposium. “We willen laten zien hoe machinelerende technieken in de praktijk gebruikt worden.”

Vier internationale topwetenschappers geven acte de présence. We zien filmpjes van geheel autonoom rondvliegende minihelikopters die te hulp schieten bij reddingsacties. We zien intelligente, chauffeurloze auto’s die zelfs razendsnel uitwijken voor plots overstekende voetgangers. En we horen over automatische vertaalmachines die tegenwoordig al standaard worden aangeboden door de belangrijkste internetzoekmachines.

Eén rode draad loopt door het symposium. Een stille revolutie. Een paradigmaverschuiving in de kunstmatige intelligentie. Decennialang hebben informatici geprobeerd om computers en robots intelligent te maken door ze vol te stoppen met voorgeprogrammeerde regels. Als ware het leven een schaakwedstrijd. Dat leidde tot bescheiden successen, maar toch veel minder dan de grondleggers van de kunstmatige intelligentie eind jaren vijftig hadden gedroomd.

De basis van de stille revolutie die de laatste jaren heeft plaatsgevonden ligt bij een nieuwe aanpak: slimme statistische technieken die razendsnel betekenis destilleren uit een databerg. Dankzij het wereldwijde web zijn nu voor het eerst in de geschiedenis enorme hoeveelheden data vrij beschikbaar voor deze statistische technieken: teksten, beelden, geluidsopnames. De stille revolutie heeft successen opgeleverd bij onder andere automatische vertaling, automatische spraakherkenning, automatische beeldherkenning en het in kaart brengen van een ruimtelijke omgeving. De resultaten liggen nog niet op menselijk niveau, maar zijn wel veel beter dan een jaar of tien geleden.

Brug tussen mens en machine 
Eigenlijk staan robotontwerpers en ontwikkelaars van kunstmatige intelligentie voor dezelfde vragen als hersenwetenschappers die het menselijk brein bestuderen. Hoe lost een natuurlijk of kunstmatig brein problemen op die ontstaan in de interactie met de wereld om zich heen? Problemen van waarnemen, redeneren, handelen, taalverwerking, taalproductie.

Niet voor niets maakt Kappens eigen onderzoeksgroep deel uit van het Donders Instituut. Hij probeert om met zijn onderzoek naar kunstmatige intelligentie bij te dragen aan het begrijpen van hersenen, cognitie en gedrag. Kan dat dan? Jazeker. Kappen geeft drie voorbeelden uit zijn eigen onderzoeksgroep. Allereerst het modelleren van netwerken van neuronen. “We proberen te begrijpen wat de sterkteverandering van synapsen betekent voor het netwerkgedrag van de neuronen. Onze modellen beschrijven het gedrag van zo’n honderdduizend tot een miljoen neuronen.”

Kappen en zijn medewerkers gebruiken machinelerende technieken ook bij brein-computer-interfaces − een tweede voorbeeld. “Zo onderzoeken we hoe een proefpersoon via zijn gedachten een cursor op een beeldscherm kan aansturen. We registreren de gedachten via MEG- of EEG-signalen en we trainen een neuraal netwerk om patronen in die signalen te herkennen.”

Een derde voorbeeld ligt op het terrein van robotbewegingen. Hoe weet een robot hoe hij zijn armen moet bewegen? Een eenvoudige las- of spuitrobot in een voorspelbare fabrieksomgeving is precies geprogrammeerd om zijn arm op een bepaald moment van A naar B te bewegen. Maar de alledaagse werkelijkheid zit vol onvoorspelbaarheden. Hier komt een wagentje aan rijden. Daar duikt een mens op. Hoe lost een menselijk of een machinebrein dit op? is een belangrijke onderzoeksvraag.

Kappen: “Wij hebben een nieuwe controletheorie ontwikkeld die robots kan helpen om te leren in dergelijke onvoorspelbare situaties. De theorie voorspelt onder andere dat hoe meer ruis er in de omgeving is, hoe later het brein een beslissing neemt. Dat hebben we inmiddels ook bij echte proefpersonen in de hersenen gemeten en de theorie wordt momenteel met succes toegepast op echte robots.”

Intelligente rolstoel 
Aan het eind van het symposium leidt professor Jaap van den Herik van de Universiteit van Tilburg en de Universiteit Leiden de slotdiscussie. “Wanneer worden machines slimmer dan mensen?” probeert hij de vier symposiumsprekers uit te dagen.

Geen van hen ziet enige aanwijzing dat dit moment ook maar binnen enkele decennia gaat aanbreken. Robotonderzoeker Nicholas Roy van het Massachusetts Institute of Technology (MIT), een van de beste kunstmatige-intelligentielabs in de wereld, verwoordt het als volgt: “We hebben geen enkele experimentele gegevens die ons ook maar iets kunnen vertellen over het moment waarop robots slimmer dan mensen worden. Wij zijn ingenieurs. De toekomst voorspellen is niet wat wij doen. Wij zijn geïnteresseerd om modellen en machines te bouwen op basis van wat we nú weten.”

En, verwijzend naar Ray Kurzweils bestseller The singularity is Near (2005) over Kurzweils voorspelling dat machines slimmer worden dan mensen, zegt Roy: “Niemand heeft ooit iets zinvols over de toekomst gezegd, behalve dan om de verkoop van een boek omhoog te stuwen.”

Gelukkig hoeven machines ook helemaal niet slimmer te worden dan mensen om van groot praktisch nut te zijn. Roy toont een filmpje van een intelligente rolstoel, die met spraak bestuurbaar is. Patiënten met een ernstige spierziekte kunnen de rolstoel vragen om hen naar de lift te brengen of om een pizza te bestellen. De rolstoel leert van de wensen en behoeften van de gebruiker.

Roy: “Dit werk verbetert de levenskwaliteit van patiënten. Ze kunnen zelfstandiger functioneren. Nu nog is de meest succesvolle commerciële robot in de wereld de Roomba-robotstofzuiger. Dat gaat echt veranderen. Ik zie robots niet slimmer worden dan mensen, maar er komt wel steeds meer kunstmatige intelligentie die mensen gaat helpen: in de gezondheidszorg, in de dienstverlening, in verkeer en vervoer en ongetwijfeld in talloze toepassingen die we nu nog niet kunnen bedenken.”

Internet Bekijk alle lezingen van het symposium Hoe een robot in onvoorspelbare situaties kan leren van imitatie

Tuesday, November 30, 2010

Mathematics forever - in stone

"Papyrus, parchment, paper ... videotape, DVDs, Blu-ray discs — long after all these materials have crumbled to dust, the first recording medium of all, the cuneiform clay tablet of ancient Mesopotamia, may still endure."

YBC 7289 is a small clay disc containing a rough sketch of a square and its diagonals. Across one of the diagonals is scrawled 1,24,51,10 — a sexagesimal number that corresponds to the decimal number 1.4142129, an approximation of the square root of 2. Below is the answer to the problem of calculating the diagonal of a square whose sides are 0.5 units. This bears on the issue of whether the Babylonians had discovered Pythagoras’s theorem some 1,300 years before Pythagoras did. Credit: Yale Babylonian Collection.

Read more about the exhibition 'A culture in mathematics' in this New York Times-article.

Watch the slide show of beautiful clay tablets.

Sunday, November 28, 2010

Op de Elfstedenbrug is: 700 x 5 = 5

Zou het waar zijn? Komt er weer een Elfstedentocht? Hopelijk schaatsen de nummer één en twee van 1997, Henk Angenent en Erik Hulzebosch, mee. Een brug met vijf schaatsers ligt al op ze te wachten. Of zijn het er 3.500?
                                           Foto's: Alex Prooper

Dit artikel is verschenen in NRC Handelsblad van 27 november 2010

Wie hoopt er niet op een Elfstedentocht deze winter – voor het eerst sinds 1997? Als die er komt, dan zullen de rijders onder een bijzondere brug door schaatsen. Het is de laatste brug voor de finish in Leeuwarden en hij staat hierboven op de foto.

We zien vijf schaatsers achter elkaar. Maar wacht even. Komen we dichterbij, dan zien we allemaal kleine fotootjes van schaatsers. De grote foto is een mozaïek van meer dan 3.500 kleine fotootjes. Allemaal doorzetters die ooit de finish van de Elfstedentocht hebben gehaald. 

Hoe weet je nu waar je de kleine foto’s moet plaatsen om precies de grote foto van vijf schaatsers te krijgen? Kunstenaar en softwareontwikkelaar Alex Prooper heeft dat uitgezocht met wiskunde op de computer. Vorige week zaterdag vertelde hij het geheim tijdens de jaarlijkse bijeenkomst over kunst en wiskunde. Kunstenaars bespreken daar hoe ze wiskunde gebruiken om kunstwerken te maken.

Prooper begon met de foto van de vijf schaatsers. Die verdeelde hij in vele duizenden vierkantjes. Pixels in computertaal. Elk beeld op je computerscherm is opgebouwd uit zulke pixels: sommige zijn donker, andere zijn licht. Samen zorgen ze zo als puzzelstukjes voor het beeld.

Prooper liet zijn computer uitrekenen hoe licht of donker een pixel van de grote foto gemiddeld is. De grote foto bestaat echter uit veel meer pixels bestaat dan er kleine fotootjes waren. Anders gezegd: een klein fotootje van een schaatser is nog altijd veel groter dan een pixel. Daarom liet hij de computer elk klein fotootje opdelen in acht bij acht (64 dus) kleine stukjes. Ook voor elk van die kleinere stukjes liet hij de computer uitrekenen hoe licht of donker het is. Toen was het probleem bijna opgelost. Nu hoefde de computer alleen nog maar uit te rekenen welke fotootjes van een schaatser steeds het beste paste bij elk groepje pixels van de grote foto. Klaar was Kees. 

“Ik kan niet schilderen,” zegt Prooper, “maar ik ben wel goed met computers. De computer is mijn kwast en daar maak ik kunst mee.” Hij heeft zijn fotokunstwerken de Engelse naam ‘photile’ gegeven, wat je uitspreekt als ‘fotajl’. De kunstenaars Maree Blok en Bas Lugthart hebben het computerontwerp van Prooper gebruikt om het Elfstedenmonument in 2001 op de brug te maken Van elk klein fotootje hebben zij een Delfts-blauw tegeltje laten maken, met daarop de naam van de schaatser. Een tegelzetter heeft alle tegeltjes daarna op de brug vast gemaakt.

Nu moet de mozaïekbrug alleen nog wachten op de eerste Elfstedenschaatsers.

Sunday, November 21, 2010

Vraag het aan Watson - Match tussen mens en machine

Wanneer kan een computer nu eens échte vragen beantwoorden, in plaats van alleen maar documenten oplepelen? Supercomputer Watson zet een reuzenstap in de richting van een snelle en betrouwbare vraag-antwoordmachine. Watson wordt klaargestoomd om het begin 2011 op te nemen tegen de beste menselijke spelers in Amerika's populairste tv-kennisquiz Jeopardy.

Lees het uitgebreide artikel in NWT Magazine van december 2010, vanaf nu in de winkel.

                              Het decor van de Jeopardy!-quiz. Photo: IBM/Jeopardy

Watson-projectleider David Ferrucci bij de IBM Watson Supercomputer. 
Photo: IBM                        

Internet IBM over ‘What is Watson?’ Over de Jeopardy-quiz YouTube-filmpje over IBM’s Watson YouTube-filmpje over de Watson & de Jeopardy-uitdaging Over de IBM Blue Gene Supercomputers Het enige Nederlandse vraag-antwoordsysteem Het Amerikaanse bedrijf LCC (Language Computer Corporation) verkoopt al vraag-antwoordsystemen

Thursday, November 18, 2010

Meet the Future with Steve Wozniak and Neil Armstrong

          Apple co-founder Steve Wozniak at the Science & Technology summit 2010, ANP PHOTO PERSSUPPORT

At the Dutch Science & Technology summit Meet the future (Den Haag, november 18, 2010) Apple co-founder Steve Wozniak gave an inspiring speech: "If you really want to have fun, choose for technology. Then you can make something that didn't exist before."

Read more about Steve Wozniak in his book I, Woz.

For all nerds & geeks, click on the play-button below to listen to my audio-recording of Wozniak's talk:

Watch Steve Wozniak & the nerds at the Summit on Dutch tv.

Neil Armstrong, the first man to land on the moon in 1969, and now 80 years old, told the audience that with pleasure he would volunteer to fly to Mars and set foot there as well. He told a fascinating story of how completely unexpected inventions have shaped society during his lifetime: liquid fuel rockets, the transistor, the computer.

Click on the play-button below to listen to my audio-recording of Neil Armstrong's talk:

Watch here Neil Armstrong's first step on the moon: "It’s one small step for a man, one giant leap for mankind."

Wednesday, November 10, 2010

Geniaal kippengaas

Grafeen is het allerdunste materiaal dat er bestaat. Sinds de ontdekking in 2004, houdt het onderzoekers wereldwijd in de greep. De ultieme droom: elektronica die draait op grafeen in plaats van op silicium. Grafeenchips kunnen kleiner en sneller worden dan ooit met silicium mogelijk is. En dit jaar ontvingen de grafeenontdekkers Geim en Novoselov eindelijk de Nobelprijs voor natuurkunde.

[Dit artikel heb ik eerder geschreven voor het maandblad KIJK van november 2009. Met toestemming heb ik het hieronder overgenomen. Overigens voorspelde ik vorig jaar dat de grafeenontdekkers de Nobelprijs zouden winnen. Dit jaar is dat gelukkig al bewaarheid.]

Krabbel wat met een potlood op papier, en er is een kans dat je, zonder het te weten en zonder het te kunnen zien, een uniek flintertje materiaal hebt afgeschraapt: grafeen. Het is het dunste materiaal ter wereld: precies één atoom dik. En het blijkt verrassingen te herbergen voor materiaalkundigen, voor fysici, chemici en ook voor de industrie.

Het al eeuwen bekende materiaal grafiet, waarvan de potloodpunt is gemaakt, is eigenlijk een opeenstapeling van een heleboel plakjes grafeen die vrij losjes aan elkaar zitten. Juist omdat die plakjes zo gemakkelijk loslaten, kun je zo goed krabbelen met een potlood. Meestal schraap je een heleboel plakjes tegelijk eraf, maar heel soms slechts een enkel plakje, en dan heb je grafeen.

Decennialang hadden natuurkundigen gedacht dat grafeen niet kon bestaan. Om de eigenschappen van grafiet beter te begrijpen had de Canadees Philip Wallace in 1947 als eerste gerekend aan een éénatomig laagje. Het werd beschouwd als niet meer dan theoretische vingeroefening. Leuk om aan te rekenen. Maar men wist zeker dat een grafietlaagje van één atoom dik instabiel zou zijn: het zou uit elkaar kunnen vallen, kunnen oprollen of meteen chemisch reageren.

Als grafeen in grafiet zit, kun je het er dan niet heel voorzichtig vanaf schrapen, ook al blijft het misschien maar heel eventjes bestaan?

Met dure hightech-apparatuur probeerde de Amerikaan Philip Kim aan het begin van de 21e eeuw toch maar eens om steeds dunnere laagjes van het potloodmateriaal af te schrappen. Met veel moeite was hij tot een soort pannenkoek van dertig grafeenlaagjes gekomen. Een hele prestatie, maar nog ver van grafeen. De doorbraak kwam in 2004. En niet van dure apparatuur, maar van een simpel stukje plakband.

Andre Geim, een geboren Rus met een Nederlands paspoort (zie kader), deed samen met zijn Russische collega Kostya Novoselov de ontdekking aan de universiteit van Manchester in Engeland. Ze maakten optimaal gebruik van het toeval en een paar verbazingwekkend simpele ideeën. Ze sloegen potloodgrafiet in een heleboel stukjes kapot. Ze pikten het dunste flintertje eruit en plakten het op een stukje plakband. Vervolgens vouwden ze de andere helft van het plakband over het flintertje heen en trokken het er weer af. Het flintertje was in twee dunnere helften gespleten.

Ze herhaalden de priegelige plakbandtruc meerdere malen en met talloze flintertjes grafiet. Allemaal trial-and-error. De overgebleven stukjes onderzochten ze onder een lichtmicroscoop en tot hun grote opwinding vonden ze stukjes die precies één atoom dik waren: grafeen. Nog gekker: de stukjes vielen niet uit elkaar, rolden niet op en reageerden niet. Ze hadden een hoge kwaliteit, waren sterk en chemisch stabiel.

Geim voelde dat hij de grote ontdekking had gedaan die hij zo lang had gezocht. In 2006 zei hij daarover in het tijdschrift Physics World: “In de verschillende terreinen waar ik twintig jaar lang heb gewerkt, was ik steeds op zoek naar iets groots. Voorheen vertrouwde ik op professionalisme en hard werken, maar had ik geen geluk. Ik denk dat ik nu geluk heb gehad en dat we op goud zijn gestoten.” Geims concurrent Philip Kim besefte dat hij de strijd om de ontdekking van grafeen had verloren en stapte meteen over op de plakbandmethode. Op conferenties vertelde hij eerlijk: “Ik ben verslagen door een stukje plakband.”

                           Over elkaar vallende plakjes grafeen onder de microscoop

Grafeen wordt nu gezien als de moeder van alle vormen van grafietachtige materialen. De atoomstructuur van grafeen ziet eruit als kippengaas of honingraat: een tweedimensionaal rooster van aan elkaar geschakelde zeshoeken, met op elke hoek een koolstofatoom. Als je grafeenlagen op elkaar stapelt krijg je grafiet. Als je grafeen oprolt tot een cilinder, krijg je een koolstofnanobuis, waar natuurkundigen ook al jaren door gefascineerd zijn. En als je grafeen oprolt tot een bol, krijg je een voetbalmolecuul, of buckybal, waarvoor de ontdekkers in 1996 de Nobelprijs voor Scheikunde ontvingen. Het platte vlak, de cilinder en de bol – allemaal verschillende manieren waarop koolstofatomen zich laten rangschikken, en allemaal met andere, verrassende eigenschappen.

De ontdekking van het eerste éénatomige materiaal leidde in eerste instantie vooral tot opwinding onder materiaalkundigen. Dat veranderde eind 2005-begin 2006. Theoretisch natuurkundige Carlo Beenakker van de Universiteit Leiden woonde begin 2006 een lezing van Geim in Leiden bij. “Hij liet toen zien dat de vrije elektronen in grafeen zich gedragen alsof ze geen massa hebben en overal doorheen vliegen. Dat is bizar. We kennen geen enkel ander materiaal waarin dat gebeurt. Ik begreep meteen dat grafeen hiermee ook voor natuurkundigen extreem interessant is. Een nieuwe wereld ging open. Ik ben onmiddellijk gestopt met wat ik aan het doen was, en heb mijn hele onderzoeksgroep op grafeen gezet. Binnen de kortste keren vonden wij – en andere onderzoekers wereldwijd – een stroom aan nieuwe dingen over grafeen.”

Ondanks dat grafeen maar een atoom dik is, bleek het fantastische mechanische eigenschappen te bezitten. Het is sterk en er komen geen defecten in voor, zoals in alle andere materialen wel het geval is. Hoe mooi silicium ook is voor toepassingen in de halfgeleiderindustrie, het vertoont altijd wel wat imperfecties. Grafeen niet: geen uitsteeksels, geen gaten. Het is zo vlak als een gedroomd biljartlaken. Daarnaast heeft het de aantrekkelijke scheikundige eigenschap dat elk koolstofatoom in grafeen een vrij pootje heeft waar je moleculen aan kunt hangen. Je zou grafeen bijvoorbeeld kunnen benutten in een chemische sensor, door het zo te ontwerpen dat het een bepaald molecuul detecteert via zijn pootjes.

“De mooiste grafeenontdekking van het afgelopen jaar,” vertelt Beenakker, “is dat je aan dat pootje een waterstofatoom kunt hangen, dat je er ook weer gemakkelijk kunt afhalen. Dat biedt mogelijkheden voor de opslag van waterstof, als we waterstof in de toekomst willen gebruiken als schone en efficiënte energiedrager. Wat ik extra bijzonder vindt, is dat het weer de groep van Geim is die dit heeft ontdekt. Hij heeft niet één unieke ontdekking gedaan, waarna anderen ermee verder gaan, zoals het vaak gaat. Nee, hij blijft zelf met nieuwe ontdekkingen komen.”

Binnen vijf jaar tijd na de ontdekking van grafeen zijn er legio uiteenlopende toepassingen verzonnen: kwantum-dotcomputers, chemische sensoren, slimme displays, supersterke nieuwe materialen, grafeenantennes, nanoveertjes, nanomembraantjes en nanoballonnetjes.

De meest revolutionaire toepassing lijkt die in de elektronica te zijn. Nu nog zijn elektronische componenten gebaseerd op de halfgeleider silicium. Geim en andere grafeenonderzoekers dromen van een elektronica die draait op het materiaal dat niet kon bestaan. In principe kun je van grafeen bijvoorbeeld dunne draadjes snijden – niet meer dan tien atomen dik – die ook nog sterk zijn, iets wat met geen ander materiaal kan. Zo zou je met grafeen misschien ultrasnelle transistors kunnen maken, waarmee je veel kleinere en snellere chips kunt fabriceren dan ooit mogelijk is met silicium. Het is afwachten wat van zulke beloften terechtkomt, want voorlopig bestaat er nog geen enkele toepassing van grafeen.

Maar zowel de universiteiten als de industrie zien de grote mogelijkheden van het koolstofkippengaas. In april 2009 ontving Beenakker een Europese subsidie van 1,5 miljoen euro voor zijn theoretische onderzoek naar de elektrische eigenschappen en mogelijkheden van grafeen. Hij gaat er vooral nieuwe jonge mensen mee aantrekken. Voor het experimentele onderzoek werkt hij samen met de universiteiten van Delft, Groningen en Nijmegen. Samen hebben ze ook nog eens drie miljoen euro Nederlands onderzoeksgeld ontvangen voor grafeenonderzoek.

“Elektronen in grafeen zich gedragen alsof ze geen massa hebben”, vertelt Beenakker over de elektronische eigenschappen van grafeen. “Je kunt het je niet voorstellen, maar het is wel zo. Voeg daar het feit aan toe dat grafeen geen imperfecties vertoont, en het verklaart waarom het elektrische stroom zo goed geleidt. En dat zonder dat je aan het materiaal ook maar iets hoeft te verbeteren, en ook nog gewoon bij kamertemperatuur. De elektronen rennen door het grafeen met een snelheid die maar een factor driehonderd lager is dan de lichtsnelheid in vacuüm.”

Die prachtige eigenschap is tegelijk ook een nadeel. Je kunt elektronen in grafeen niet stoppen. En dat is nou net wat wel nodig is om grafeen als een elektronicacomponent te gebruiken. Moderne elektronica werkt met aan en uit, met 1 en 0. Dat wordt lastig als elektronen zich niet laten afremmen. Het vinden van slimme manieren om dat toch in grafeen voor elkaar te krijgen, is de uitdaging voor Beenakker. “Ik vergelijk grafeen met een raspaard. Het ziet er prachtig uit, het is razendsnel, het is veelbelovend, maar je moet het wel temmen.”

Zelf heeft hij al een paar ideeën gelanceerd om grafeen te temmen. “Net zoals de elektronen in grafeen, wegen lichtdeeltjes ook niks. Met optische materialen kun je lichtdeeltjes ook moeilijk stoppen. Met een truc lukt het wel, bijvoorbeeld door twee polaroidfilters op de juiste manier achter elkaar te zetten. Ik heb theoretisch laten zien dat je voor grafeen een soort polaroidfilters kunt maken waarmee je de elektronen wel kunt stoppen. Maar als theoreticus maak ik zelf niets en heb ik ook geen lab. Nu is het aan experimentatoren om te kijken of dit idee ook maakbaar is.”


Een ander origineel idee is om grafeen te gebruiken voor supersnelle en goedkope DNA-analyse. Heel handig voor medisch en forensisch onderzoek. Liefst zou je menselijk DNA in een minuut willen analyseren, maar de huidige technieken zijn daar nog ver van vandaan. Misschien dat het wel lukt met een idee dat de Nederlander Henk Postma vorig jaar publiceerde. Snij een kleine spleet in grafeen, schuif daar DNA doorheen en lees het erfelijke materiaal letter voor letter af. De elektrische geleiding van grafeen hangt namelijk af van welke letter van het DNA – het basenpaar A, C, G of T – in de spleet zit. Meet de geleiding, en je weet welke basenpaar er zit. Postma wil deze zomer aan de TU Delft gaan experimenteren of dit idee in de praktijk haalbaar is.

Ideeën voor toepassingen van het materiaal dat niet kon bestaan zijn er te over. Een belangrijk praktisch probleem is echter nog onopgelost. Stel, je hebt een prachtige toepassing die werkt in het lab en die klaar is voor massaproductie. Hoe maak je dan genoeg grafeen? Nog steeds gebeurt dat met de plakbandmethode van Andre Geim. Maar daarmee kun je in een week een paar schilfertjes grafeen afschrapen – genoeg voor onderzoek in het lab, maar veel te weinig voor massaproductie. Net als met silicium zou je grafeenplakken op een gestandaardiseerde manier in grote hoeveelheden willen maken. Beenakker: “Daar gebeurt momenteel veel onderzoek naar, maar niemand weet nog hoe dat moet.”

[Kader 1:]
‘Geen goed onderzoek zonder humor’ 

Grafeenontdekker Andre Geim staat bekend als een charismatisch experimenteel onderzoeker – een echt uitvindertype ook. Hij werkte tussen 1994 en 2001 aan de Radboud Universiteit Nijmegen, kreeg een Nederlands paspoort, maar zijn onderzoeksstijl viel niet bij iedereen in goede aarde. Hij houdt van wat hij ‘hit-and-run’-experimenten noemt: neem een gek idee en ga in het lab proberen of het werkt. Werkt het niet, dan stap je snel over op iets nieuws. Maar heel soms vind je iets unieks, zoals grafeen in 2004. Of een jaar eerder, toen Geim ‘gekko-tape’ wist te maken: een nieuw soort tape dat werkt zoals de voetjes die de gekko (een soort hagedis) zijn spidermanachtige klimeigenschappen geeft, zonder dat er lijm aan te pas komt.

Helaas voor Nederland vond Geim het academische klimaat te hiërarchisch en te politiek, en hij vertrok naar Manchester in Engeland: “Ik vertrok omdat ik denk dat mijn gevoel voor humor niet dezelfde was als die van de wetenschappelijke gemeenschap in Nederland.” En in februari 2006 zei Geim in een interview met Physics World: “Sommige natuurkundigen denken dat als ze saai onderzoek doen, ze automatisch serieus onderzoek doen. Maar in mijn ervaring zijn mensen zonder een goed gevoel voor humor ook geen goede wetenschappers. Ze realiseren zich niet dat wetenschap niet saai hoeft te zijn om goed te zijn.”

[Kader 2:]
Wachten op de Nobelprijs 
Het kan niet missen: Andre Geim – een Rus met een Nederlands paspoort – en de Rus Kostya Novoselov gaan de Nobelprijs winnen voor hun ontdekking van grafeen in 2004. De vraag is alleen wanneer dat gaat gebeuren. Moeten ze er nog decennia op wachten, zoals het helaas vaak met Nobelprijzen gaat, of cashen ze al binnen enkele jaren? “De ontdekking is absoluut een Nobelprijs waard,” zegt ook de Leidse fysicus Carlo Beenakker, “zelfs al komt het nooit tot praktische toepassingen. Ik hoop echt dat het werk snel wordt beloond.”

[Dit schreef ik in 2009. Nou, gelukkig hebben ze niet lang hoeven wachten. Afgelopen oktober werd bekend dat Geim en Novoselov de Nobelprijs natuurkunde 2010 hebben gewonnen.]

Geim won in 2000 al een IgNobelprijs voor het laten zweven van een kikker in een magneetveld, werk dat hij in Nijmegen had uitgevoerd. De IgNobelprijs is een prijs voor wetenschappelijk onderzoek dat eerst aan het lachen brengt en daarna aan het denken zet. De prijs heeft inmiddels een cultstatus verworven. Na de ontdekking van hoge-temperatuursupergeleiders in 1986 waren natuurkundigen gefascineerd door foto’s van extreem koude supergeleiders die boven een magneetje zweven. Volgens Geim besefte bijna niemand dat je hetzelfde effect kunt gebruiken om ieder levend wezen van de grond te tillen. Hij kreeg het in een Nijmeegse supermagneet voor elkaar met een levende kikker. De foto van de zwevende kikker ging de hele wereld rond en lokte veel reacties uit.

Onderzoek van grafeenontdekker Andre Geim:

Tuesday, November 2, 2010

Van stof tot ster en weer terug

Welke rol spelen moleculen bij de vorming van sterren en planeten? Hoe zijn de chemische bouwstenen voor leven ontstaan? Dat zijn enkele van de onderzoeksvragen uit het nieuwe NWO-programma astrochemie. 

Dit artikel is gepubliceerd in NWO Hypothese, oktober 2010

Het grootste deel van het heelal is extreem koud en leeg en wordt ook nog eens doorzeefd met gevaarlijke straling. Niet bepaald een gunstige omgeving voor de vorming van moleculen. Daarvoor moeten atomen of ionen namelijk stabiele bindingen met elkaar aangaan. Toch komt molecuulvorming in het heelal veel vaker voor dan decennialang werd gedacht, van eenvoudige vormen als moleculair waterstof tot complexe koolwaterstoffen die uit tientallen atomen kunnen bestaan.

De technische vooruitgang van telescopen heeft het mogelijk gemaakt om niet alleen natuurkundige aspecten van het heelal te onderzoeken, maar ook de scheikundige: hoe vormen moleculen zich onder ogenschijnlijk vijandige omstandigheden? In de jaren zeventig en tachtig begonnen astronomen voor het eerst oog te krijgen voor de rol van moleculen in de ruimte. Langzamerhand ontwikkelde zich uit de combinatie van astronomie en chemie het geheel nieuwe vakgebied van de astrochemie.

Hoewel Nederlandse onderzoekers al jarenlang op individuele basis bijdragen aan dit vakgebied, bestaat er sinds 1 september voor het eerst een geïntegreerd NWO-onderzoeksprogramma astrochemie (zie kader). “De astronomen weten welke onderzoeksvragen interessant zijn en de chemici kunnen helpen bij het beantwoorden daarvan”, zegt hoogleraar Xander Tielens van de Universiteit Leiden en voorzitter van de programmacommissie.

Het grote belang van de astrochemie voor de evolutie van het heelal blijkt vooral uit de chemische kringloop van elementen. Sterren die aan het eind van hun leven zijn gekomen, slingeren grote hoeveelheden materiaal de ruimte in. In de interstellaire ruimte wordt dit materiaal gebombardeerd door straling en deeltjes waardoor het chemisch verandert. De nieuw gevormde stoffen dienen vervolgens als bouwmateriaal voor de vorming van een volgende generatie sterren en planeten. Zo sluit de chemische kringloop zich: van stof tot ster en weer terug.

“De belangrijkste vraag voor astrochemici is wat de rol is van moleculen in deze kringloop”, zegt Tielens. “Spelen ze alleen een passieve rol of juist ook een actieve rol? En als ze een actieve rol spelen, welke rol is dat dan precies?”

Een belangrijke motivatie voor het NWO-onderzoeksprogramma astrochemie vormde het in aanbouw zijnde Atacama Large Millimeter Array, kortweg ALMA. ALMA wordt een verzameling van tenminste vijftig radiotelescopen op vijf kilometer hoogte in de Chileense Atacamawoestijn. Naar verwachting gaat ALMA vanaf eind 2011 de vorming van sterren en planeten in het vroege universum in beeld brengen.

“Nederland is heel actief in ALMA,” zegt Tielens, “onder andere met het ontwerpen van detectoren. Voor de komende tien jaar wordt ALMA voor astrochemici een belangrijk instrument. Met een betere resolutie dan ooit tevoren kunnen we dan gaan bestuderen welke rol moleculen spelen in de met gas en stof gevulde schijven rond jonge sterren. Het zijn deze zogeheten protoplanetaire schijven waarin zich nieuwe planeten kunnen vormen.”

Een van de onderzoekers die binnen het nieuwe astrochemieprogramma gebruik hoopt te gaan maken van ALMA is Inga Kamp, universitair docent aan de Rijksuniversiteit Groningen. Kamp is vooral geïnteresseerd in het beginstadium van de planeetvorming. In het begin bevat een protoplanetaire schijf typisch 1 massaprocent stof en 99 massaprocent gas. Het stof bestaat voornamelijk uit silicaten en grafiet. Het gas bevat onder andere moleculair waterstof, koolstofmonoxide, koolstofdioxide en acetyleen. Kamp: “Hoewel er veel meer gas dan stof in de schijf zit, weten we minder van de rol van het gas dan van de rol van het stof. Daarom onderzoek ik juist het gas. Ik ben me gaan realiseren hoe belangrijk scheikunde is om de astronomische waarnemingen van moleculen te vertalen naar het begrijpen van protoplanetaire schijven.”

Aan het begin van de planeetvorming staan de kleine stofdeeltjes. Die gaan aan elkaar klonteren, vormen steeds grotere klonters, tot er zelfs kilometer grote rotsachtige klompen ontstaan. “Ik wil achterhalen hoe de samenstelling van de protoplanetaire schijf verandert tijdens dit proces”, zegt Kamp. “Hoe verandert de dikte van de schijf? Hoe verandert de straal? Hoe verandert de gastemperatuur op verschillende plekken in de schijf, en daarmee de chemische samenstelling? Met de Herschel Space Observatory onderzoeken we nu zo’n 250 schijven die zich in verschillende evolutionaire stadia bevinden. Dan spreken we over 1 tot 30 miljoen jaar na de vorming van de ster die zich middenin de schijf bevindt.”

Kamp ontwikkelt computermodellen van protoplanetaire schijven: “Ik bereken telkens een snapshot in de ontwikkeling van zo’n schijf. Alle snapshots bij elkaar vormen dan een filmpje van de evolutie van een protoplanetaire schijf.” De uitkomsten van haar modellen vergelijkt ze nu nog met die van de vorig jaar in de ruimte gestuurde Herschel-ruimtetelescoop. In de toekomst wil ze ook ALMA gaan gebruiken, die in zekere zin complementair wordt aan Herschel, vertelt Kamp. “Met ALMA kunnen we het koudste gedeelte van de schijf bestuderen, het gedeelte dat met Herschel niet zichtbaar is. Ik verwacht dan ook een mooie synergie tussen Herschel en ALMA.”

Hoe kan zij als onderzoeker profiteren van het feit dat er nu één geïntegreerd astrochemieprogramma in Nederland is gevormd? “Regelmatig zullen bijeenkomsten worden georganiseerd waarop we kennis en ervaringen gaan delen. Het is heel goed om je eigen onderzoek ook eens door de ogen van iemand anders te bekijken. Om een voorbeeld te geven: voor mij als astronoom heeft een stofkorrel in de ruimte een glad oppervlak. Maar voor een fysicus als Petra Rudolf, die ook in het astrochemieprogramma zit, is het oppervlak ruw en kan het allerlei insluitingen hebben. Juist die eigenschappen kunnen de chemie sterk beïnvloeden. Samen kunnen we dus een realistischer beeld krijgen.”

Waar Inga Kamp onderzoekt wat er in de protoplanetaire schijf als geheel gebeurt, bestudeert Herma Cuppen de individuele stofdeeltjes die zowel in moleculaire wolken als in protoplanetaire schijven voorkomen. Cuppen werkt nu nog als postdoc-onderzoeker aan de Universiteit Leiden, maar verhuist in januari met een ERC Starting Grant naar Nijmegen. Ze ontwikkelt deeltjessimulaties die zich over honderdduizenden jaren uitstrekken.

“Meer in het bijzonder onderzoek ik wat er qua chemie gebeurt op de stofdeeltjes die een ijslaag om zich heen hebben”, vertelt Cuppen. “Welke reacties vinden er plaats op het oppervlak? Wat is de temperatuur? Wanneer verdampt de ijslaag? Wat gebeurt er dan met de moleculen die zich op de ijslaag bevinden? Een van mijn doelen is om het inzicht wat volgt uit mijn deeltjesmodellen te gebruiken ter verbetering van de continuümmodellen zoals Inga die gebruikt.”

De met een ijslaag omhulde stofdeeltjes spelen een belangrijke rol in de temperatuurregeling van een moleculaire wolk of een protoplanetaire schijf. Omdat voor stervorming een omgeving met een lage temperatuur nodig is, spelen ze dus ook al een belangrijke rol voor de stervorming. Daarnaast worden uit het samenklonteren van zulke kleine ijsdeeltjes kometen gevormd.

Cuppen vergelijkt haar deeltjessimulatie in eerste instantie met laboratoriumexperimenten van haar Leidse collega’s. “Ik probeer mijn simulatieresultaten ook wel te vergelijken met astronomische waarnemingen, maar dat is toch een stuk moeilijker omdat die vaak grote inhomogene gebieden bestrijken.”

Een van de grote vragen die astrochemici proberen te beantwoorden is hoe water op aarde terecht is gekomen. Alles lijkt er op dat er al vroeg na de vorming van de aarde water was. Cuppen: “Maar hoe is het daar terecht gekomen? Via kometen met een ijslaag? Of ontstond het al met de vorming van planeet aarde? Als we meer weten over waar ijslagen precies voorkomen, kunnen we een beter idee krijgen voor de waarschijnlijkheid van de verschillende scenario’s.”

Cuppen is opgeleid als scheikundige en belandde min of meer bij toeval in de astrochemie. “Tot mijn verrassing zag ik dat de astronomie ook voor de chemie een heleboel interessante onderzoeksvragen heeft. En al die vragen hebben uiteindelijk toch te maken met de oorsprong van onszelf.”

Grootste moleculen Behalve dat het onderzoeksprogramma astrochemie aansluit bij nieuwe telescopen zoals ALMA en de James Webb Space Telescope, sluit het ook aan bij bestaande Nederlandse onderzoeksfaciliteit zoals de vrije-elektronenlaser FELIX van het instituut FOM Rijnhuizen en het Kernfysisch Versneller Instituut (KVI) van de Rijksuniversiteit Groningen.

“De grootste moleculen die in de ruimte voorkomen”, zegt hoogleraar Xander Tielens, “zijn de zogeheten polyaromatische koolwaterstoffen. Die komen veel in stofwolken voor. We weten dat deze uit elkaar kunnen vallen en moleculaire ringen of ketens kunnen vormen. Maar we weten niet precies hoe dat proces chemisch werkt. Dat gaan we onderzoeken door de koolwaterstoffen te bombarderen met verschillende soorten straling. Daarvoor gaan we zowel de FELIX-laser gebruiken als de deeltjesversneller van het KVI.”

Tielens benadrukt dat het NWO-programma naast het onderzoek nog een belangrijk doel dient: “Via zomerscholen en andere trainingen krijgen promovendi namelijk voor het eerst een specifieke opleiding die de astronomie combineert met de chemie en de fysica. Met het oog op de nieuwe telescopen ALMA en James Webb Space Telescope is het belangrijk dat we via dit opleidingsprogramma de onderzoeksleiders van de toekomst trainen.”

Onderzoeksprogramma Astrochemie in het kort

Op 1 september 2010 is het NWO-onderzoeksprogramma Astrochemie officieel van start gegaan. Over een periode van vijf jaar heeft NWO 2,8 miljoen euro beschikbaar gesteld voor vier onderzoeksthema’s: (1) de vorming, vernietiging en excitatie van eenvoudige moleculen in de gasfase; (2) de rol van stof en ijs in het heelal; (3) de chemische evolutie van polycyclische aromatische koolwaterstoffen; en ten slotte (4) het ontstaan van de chemische bouwstenen van leven.

Het onderzoeksprogramma is bottom-up tot stand gekomen: in onderling overleg hebben de onderzoekers zelf voorgesteld welke onderzoeksvragen zij belangrijk vinden en hoe die het beste aansluiten bij waar Nederland goed in is. Een internationaal wetenschappelijk panel heeft de voorstellen vervolgens bijgeslepen tot het huidige astrochemieprogramma.

In het programma werken vaste-staf-onderzoekers, post-docs, promovendi en studenten samen, afkomstig van de Universiteit Leiden, de Universiteit van Amsterdam, de Vrije Universiteit in Amsterdam, de Radboud Universiteit Nijmegen, de Rijksuniversiteit Groningen (Kernfysisch Versneller Instituut, Kapteyn Instituut en Zernike Instituut) en het FOM-instituut voor plasmafysica Rijnhuizen.

Internet NWO-programma astrochemie ALMA-telescoop in Chili James Webb Space Telescope Herschel-ruimtetelescoop Kernfysisch Versneller Instituut (KVI) De vrije-elektronenlaser FELIX van het FOM-instituut Rijnhuizen

Monday, October 25, 2010

Woensdag te gast bij OBA Live om te praten over Turing Test

Aanstaande woensdag, 27 oktober, ben ik te gast bij het radioprogramma OBA Live om te praten over de Turing Test en de zoektocht naar denkende machines.

Presentator: Theodor Holman. Live-uitzending van 19.00-20.00 op Radio 5 en ook te bekijken via de webcam.

Je kunt de uitzending ook meteen herbeluisteren door hieronder op de play-knop te drukken:

Lees hier het artikel dat ik op 27 september j.l. over de Turing Test heb geschreven voor NRC Handelsblad.

Bekijk hier een van de vele schitterende fragmenten van computer HAL 9000 uit de film "2001 - A Space Odyssey" van Stanley Kubrick uit 1968.

HAL 9000 zou zeker zijn geslaagd voor de Turing Test. Maar waar blijft HAL anno 2010? Ik zal het woensdag uitleggen...

Tuesday, October 19, 2010

Watch the SCIENCE & ART of bouncing water droplets

Read more in the paper: “Bouncing Water Droplet on a Superhydrophobic Carbon Nanotube Array,” authored by Adrianus I. Aria, Morteza Gharib, published online on ArXiv, Submitted on 7 Oct 2010:

Sunday, October 17, 2010

Benoit Mandelbrot, father of fractal geometry, dies at 85

Bottomless wonders spring from simple rules repeated without end.” 

                         Benoit Mandelbrot, father of fractal geometry

                                                 The beautiful Mandelbrot fractal

Watch here Benoit Mandelbrot's talk at TED 2010:

Read more in The New York Times

Thursday, October 7, 2010

Nobelprijs dankzij multiculti

In een tijd waarin Europese landen zich terugtrekken in nationalisme, is de wetenschap een verademing. Samen met zijn collega Konstantin Novoselov won Andre Geim dinsdag de Nobelprijs Natuurkunde. Geim werd in 1958 geboren in Sochi, nu Rusland, destijds Sovjet-Unie. Zijn ouders zijn Duitse Joden. Na zijn promotie als natuurkundige zwierf hij als postdoconderzoeker naar Denemarken, Engeland, Nederland en weer Engeland. Een zwerftocht doortrokken van diverse culturen. Hij werkte tussen 1994 en 2001 aan de Radboud Universiteit Nijmegen en kreeg een Nederlands paspoort. Geim en Novoselov deden hun Nobelprijswinnende ontdekking in 2004 echter in het Engelse Manchester.

NRC Handelsblad kopte na de bekendmaking van de Nobelprijs op de website: “Nobelprijs voor Nederlandse natuurkundige.” de Volkskrant: “Nobelprijs voor Nederlander.” Als hij maar wint, dan is elke ‘buitenlander’ ineens helemaal van ons. BBC News is eerlijker en schrijft: “Nobelprijs Natuurkunde voor de Russen Andre Geim en Konstantin Novoselov”, maar meldt daarna meteen dat beiden aan de Universiteit van Manchester werken. Novoselov heeft trouwens een Brits en een Russisch paspoort.

Helaas voor Nederland vond Geim het academische klimaat hier te hiërarchisch en te politiek en vertrok nog vóór zijn Nobelprijswinnende ontdekking naar Manchester in Engeland, waar hij nu hoogleraar is: “Ik vertrok omdat ik denk dat mijn gevoel voor humor niet dezelfde was als die van de wetenschappelijke gemeenschap in Nederland.” Sinds begin dit jaar is hij wel aangesteld als bijzonder hoogleraar aan de Radboud Universiteit Nijmegen.

Geim houdt van wat hij ‘hit-and-run’-experimenten noemt: neem een gek idee en ga in het lab proberen of het werkt. Werkt het niet, dan stap je snel over op iets nieuws. Risicovol onderzoek waar de Nederlandse onderzoekscultuur niet dol op is. Maar heel soms vind je juist zo iets unieks, zoals in 2004 het Nobelprijswinnende grafeen, een soort éénatomig dik kippengaas met unieke materiaaleigenschappen. Of een jaar eerder, toen Geim ‘gekko-tape’ wist te maken: een nieuw soort tape dat werkt zoals de voetjes die de gekko zijn spidermanachtige klimeigenschappen geeft, zonder dat er lijm aan te pas komt.

Geim heeft optimaal gebruik gemaakt van enerzijds zijn persoonlijke en Russische talent om gekke, risicovolle wegen in te slaan die de meeste Nederlanders niet durven inslaan, en anderzijds zijn Sovjetopleiding en de kansen die het Westen hem daarna hebben geboden. Gekibbel over nationale cultuur, dubbele paspoorten en nationale loyaliteit? Gelukkig kent de wetenschap geen grenzen. De wereld is een veelbelovend materiaal rijker juist dankzij multiculti.

Monday, September 27, 2010

De computer kletst maar wat - Weg met de Turing Test

De Turing Test was bedoeld om op een praktische manier antwoord te geven op de vraag of machines kunnen denken. Inmiddels lijkt de beroemde test volledig achterhaald.

Dit artikel is gepubliceerd in NRC Handelsblad, 25 september 2010

In 1950 stelde de Britse computerpionier Alan Turing een praktische test voor die een antwoord zou moeten geven op de vraag: ‘Kunnen machines denken?’ Die test kwam de Turing Test te heten. In het kort: je mag via een toetsenbord en een beeldscherm waarop alle tekst verschijnt converseren met een mens en een machine. Je weet echter niet wie wie is. Wanneer je niet in staat bent te onderscheiden wie de mens en wie de machine is, dan is het volgens Turing fair om te zeggen dat de machine kan denken. Turing voorspelde dat computers nog vóór het jaar 2000 zouden slagen voor deze test.

Maar zelfs nu, zestig jaar later, is er nog nooit een computer geslaagd. Nog steeds vallen machines snel door de mand. Toch verkondigt uitvinder Ray Kurzweil dat computers rond 2030 zullen slagen voor de Turing Test, in essentie door de werking van het menselijke brein na te bouwen. Maar er zijn geen aanwijzingen dat op dat terrein voldoende snel vooruitgang wordt geboekt, als het überhaupt al zou kunnen. Kurzweil wil zijn chatbot Ramona klaarstomen voor de Turing Test. Op zijn website kun je chatten met Ramona 4.0, die onder andere kan putten uit alle kennis van Wikipedia. Dat levert gespreksflarden als deze op:

you> Who is your favorite writer?
Ramona> I don't have a favorite writer. My favorite food is lasagna made with in-vitro beef and cloned cheese.
you> How does that taste?
Ramona> Taste is a form of direct chemoreception and is one of the traditional five senses.
you> Do you make the lasagna yourself?
Ramona> Lasagna is both a form of pasta in sheets and also a dish, sometimes named lasagne al forno made with alternate layers of pasta, cheese, and often ragù or tomato sauce.
you> You just tell me some objective facts. Where are your subjective feelings?
Ramona> Eric said he broke the window on the front door and the glass cut his hand. Subjective experience, the sensory buzz and awareness associated with a conscious mind A school of bayesian probability stating that the state of knowledge corresponds to personal belief

Chatbots als Ramona gebruiken vooral trucjes zoals geforceerd praten over wat ze wel weten of het uit de weg gaan van de conversatie door zelf vragen te stellen. Zodra je het gesprek een beetje persoonlijk maakt, raken ze in verwarring. Ook hebben ze grote moeite met alledaagse, impliciete kennis. Elk kind weet dat wanneer je een glas water op de grond laat vallen het glas breekt en het water wegloopt. Dat heeft het geleerd door ervaring, uit de interactie tussen lichaam en omgeving. Niemand heeft dat expliciet verteld en het staat ook niet in een encyclopedie. Juist deze impliciete kennis is voor een computer uiterst moeilijk. Zonder zintuigen die de wereld waarnemen kan een computer die kennis niet zelf opdoen en moet hij deze expliciet geprogrammeerd krijgen. Hoewel dat al drie decennia geprobeerd wordt in het project CYC, is het tot nu toe ondoenlijk gebleken.

Als de Turing-Test-chatresultaten ondanks een enorme vooruitgang in hardware en software na zestig jaar nog zo teleurstellend zijn, wat moeten we dan anno 2010 nog met de Turing Test?

“De Turing Test is gedateerd”, vindt Frank van Harmelen, hoogleraar aan de Vrije Universiteit in Amsterdam en gespecialiseerd in kunstmatige intelligentie. “In 1950 waren de ideeën van wat computers konden nog heel naïef. Het was revolutionair dat Turing al durfde na te denken over computers die niet te onderscheiden zijn van mensen. Maar nu zijn we zestig jaar verder en begrijpen we veel beter wat computers wel en niet goed kunnen en wat intelligentie is.”

Juist omdat de Turing Test gericht is op het simuleren van menselijke intelligentie vindt Van Harmelen de test gedateerd. Hij vergelijkt het met vliegen. Iedereen vindt dat vogels vliegen. Maar iedereen vindt ook dat Boeing 747’s vliegen, terwijl ze dat op een heel andere manier doen. Toch zou geen 747 ooit slagen voor een Turing Test voor vliegen als die net zo gebaseerd zou zijn op het imiteren van vogels als de Turing Test gebaseerd is op het imiteren van mensen. Eeuwenlang probeerden mensen te vliegen door vogels na te doen. Dat leverde behalve tragikomische scènes niets op. De mens leerde pas vliegen toen hij ophield de natuur te imiteren, de wetten van de aërodynamica ging begrijpen en vliegtuigen met stijve vleugels ging bouwen.

“Aan de ene kant vind ik dat de Turing Test het wetenschappelijk onderzoek naar kunstmatige intelligentie in de weg staat”, zegt Van Harmelen. “We moeten niet meer uitsluitend mikken op het nabouwen van menselijke intelligentie. We moeten algemene theorieën maken over wat intelligentie is en op basis daarvan software bouwen. Machine-intelligentie hoeft helemaal geen menselijke intelligentie te zijn. Aan de andere kant zie ik een computer die slaagt voor de Turing Test wel nog als de ultieme droom van het vakgebied, zoals de ultieme droom van de natuurkunde een Theorie van Alles is. We moeten die droom niet loslaten, maar hij is niet richtinggevend voor het ontwikkelen van kunstmatige intelligentie.”

Meer en meer is gebleken dat machines andere vormen van intelligentie vertonen dan menselijke intelligentie. Zo berekent een schaakcomputer zijn zetten anders dan mensen dat doen. Mensen gebruiken patroonherkenning. Schaakcomputers zoeken enorm snel door enorme hoeveelheid combinaties heen. Het een is niet per definitie beter dan het ander. De twee strategieën kunnen elkaar zelfs aanvullen, zoals bij de modernste schaakcomputers wordt geprobeerd.

De menselijke hardware heeft cognitieve beperkingen ingebouwd: zo kan ons brein maar zeven plus of min twee items in het kortetermijngeheugen opslaan. Van Harmelen: “Maar waarom zouden we zo’n zelfde beperking inbouwen in een computer alleen maar om menselijke intelligentie te simuleren? Veel dingen die moeilijk zijn voor mensen zijn heel goed op computers te realiseren, zoals schaken of het uitrekenen van ingewikkelde formules. Paradoxaal genoeg zijn de dingen die elke driejarige kleuter al kan juist heel erg moeilijk voor een computer: natuurlijke taal begrijpen of gezichten herkennen.”

Van Harmelens argumenten tegen de Turing Test worden door de meerderheid van de internationale collega’s gedeeld. In 2006 vierde de kunstmatige intelligentie haar vijftigjarig bestaan met een grote conferentie. Uit een enquête onder de aanwezige wetenschappers, waaronder de oprichters van het vakgebied, bleek dat 41 procent geloofde dat computers helemaal nooit de menselijke intelligentie zouden kunnen simuleren; nog eens 41 procent meende dat dat wel zou kunnen, maar dat het meer dan vijftig jaar zou duren. Mensen als Ray Kurzweil, die denken dat een computer binnen twee decennia slaagt voor de Turing Test, zijn een uitzondering.

Een ander argument tegen de Turing Test komt uit de hedendaagse cognitiewetenschap: de menselijke cognitie ligt diep verankerd in het feit dat wij een lichaam hebben. Onze hersenen zijn geëvolueerd voor een effectieve interactie met de omgeving. Ze vragen zich voortdurend hoe het lichaam in respons op de omgeving moet reageren. Waarnemen en handelen zijn daarbij essentieel. Dat kunnen hedendaagse computers in het geheel niet en zelfs de beste robots zijn er onbeholpen in. Ook de belangrijke non-verbale communicatie gebeurt via het lichaam.

Sociaal spel
In kringen van filosofen en logici heeft de Turing Test altijd een voorname status gehad. Johan van Benthem is hoogleraar logica en de toepassingen daarvan in de informatica en de cognitiewetenschappen. Hij is zowel verbonden aan de Universiteit van Amsterdam als aan de Stanford Universiteit (VS). Net als Van Harmelen vindt ook hij de Turing Test gedateerd.

“Allereerst is de test gebaseerd op een achterhaald machinemodel: de Turingmachine. De Turingmachine is een computer met in- en uitvoer die alles in zijn eentje moet doen.” Het bedenken van die machine was Turings belangrijke fundamentele bijdrage aan de informatica. Alles wat op een mechanische manier berekend kan worden, kan berekend worden met een Turingmachine.

“Maar”, zegt Van Benthem, “na zestig jaar is de realiteit er niet meer een van een op zichzelf staande machine, maar van netwerken van aan elkaar gekoppelde computers of processoren. Denk aan het internet of aan supercomputers met duizenden processoren. En op softwareniveau ontstaan steeds meer gemeenschappen van software-agenten die hun eigen doelen nastreven en informatie uitwisselen.”

Van Benthem: “Voor zulke netwerken of gemeenschappen hebben we nog geen goed theoretisch model. Misschien moeten we zo’n model eerder baseren op het concept van een spel tussen meer dan twee spelers, zoiets als het spel Cluedo bijvoorbeeld, dan op het concept berekening. Het feit dat filosofen nog steeds over de Turing Test debatteren laat vooral zien dat ze de ontwikkelingen in de informatica van de afgelopen vijftig jaar niet hebben gevolgd.”

Van Benthems tweede argument tegen de Turing Test is een veelgehoord tegenargument: het is een alles-of-niets-test. Ofwel een machine slaagt voor de Turing Test, of niet. De test meet niet hoeveel beter de machine in staat is een menselijke dialoog te simuleren, laat staan wat machine en mens samen beter zouden kunnen dan alleen.

Van Benthem: “Eigenlijk vind ik het daarom een extreem oninteressante test. Veel interessanter is het verschijnsel dat machine-intelligentie in de afgelopen zestig jaar helemaal geen concurrent is geworden van menselijke intelligentie, maar dat menselijke intelligentie is uitgebreid met machine-intelligentie. De samenwerking tussen mens en machine heeft tot nieuwe gedragsvormen geleid, zoals het gebruik van internet en smartphones. Wat mij betreft is de interessante vraag welke uitbreidingen wel en niet werken en waarom; niet of we menselijke intelligentie kunnen simuleren.”

Flauwe trucjes
Op 23 oktober aanstaande vindt voor de twintigste keer de Loebner Prize plaats, de enige wedstrijd ter wereld waarin computerprogramma’s het opnemen in een Turing Test. Hoewel er nog nooit een voor de test is geslaagd, ontvangt het best presterende programma wel een prijs van tweeduizend dollar. Maar de dialogen van de afgelopen winnaars stellen teleur, vergelijkbaar met die van Ramona 4.0.

Wie de deelnemerslijst doorneemt, ziet dat ’s werelds beste laboratoria op het terrein van de kunstmatige intelligentie, zoals de Amerikaanse universiteiten MIT, Stanford en Carnegie Mellon, schitteren door afwezigheid. Het aantal deelnemers is sowieso beperkt tot een handvol. Een teken aan de wand? “Ja”, zegt Frank van Harmelen. “De Loebner Prize is Spielerei. Hij trekt elk jaar weer even de aandacht, maar speelt in het wetenschappelijke onderzoek naar kunstmatige intelligentie geen enkele rol.”

“Een computer laten slagen voor de Turing Test is gewoon nog te moeilijk”, zegt Johan Bos, hoogleraar computationele semantiek aan de Rijksuniversiteit Groningen. Bos bouwt zelf vraag-antwoordsystemen voor wetenschappelijk onderzoek. “We kunnen wel dialoogsystemen voor beperkte domeinen en taken maken, maar er komt veel meer bij kijken om een universeel dialoogsysteem met kennis van de wereld en een eigen mening te maken. Daarom is er weinig tot geen interesse van de academische wereld. Het is wetenschappelijk niet interessant om een dialoogsysteem vol met flauwe trucjes te bouwen.”

Wat heeft de Turing Test na zestig jaar dan opgeleverd? Toch vooral veel voer voor filosofen. Stapels artikelen die beargumenteren waarom de Turing Test wel of geen goede test voor machine-intelligentie is. Maar geen bijdrage aan het creëren van kunstmatige intelligentie. Geen beter begrip van intelligentie. Geen betere dialoogsystemen. Weg met de Turing Test. Op zoek naar interessantere vormen van kunstmatige intelligentie.

Internet Website van uitvinder Ray Kurzweil Chatbot Ramona 4.0. Ramona is onder andere gekoppeld aan het vraag-antwoordsysteem Powerset dat kan putten uit alles wat op Wikipedia staat. Debat tussen Mitchell Kapor en Ray Kurzweil. Slaagt een computer in 2029 voor de Turing Test? De dialogen van de winnaar van de Loebner Prize 2009 ‘A coffeehouse conversation on the Turing Test’ van Douglas Hofstadter ‘Why the Turing Test is AI’s biggest blind alley’ ‘Turing Test 50 Years Later’. Uit Minds and Machines, 2000 Project CYC

[Kader:] Wie was Alan Turing?

Alan Turing (1912-1954) was een Britse wiskundige en computerpionier. In 1936, nog vóór de eerste elektronische programmeerbare computers, bedacht hij een baanbrekend rekenmodel waarop alle bekende rekenprocessen zijn na te bootsen: de Turingmachine. Hij toonde ook het bestaan aan van een universele computer: een Turingmachine die in staat is om elke andere Turingmachine na te doen. Het is de basis van ons moderne begrip van de ‘general purpose computer’.

Tijdens de Tweede Wereldoorlog speelde Turing een grote rol bij het kraken van de Duitse Enigma-codering met grote decodeermachines. Dankzij het werk van Turing en zijn collega’s ontcijferden de Britten tienduizenden Duitse berichten per maand.

In 1950 stond Turing aan de wieg van het vakgebied kunstmatige intelligentie, met zijn idee van de Turing Test. Hij verdiepte zich in het bouwen van een ‘elektronisch brein’ en voorspelde dat computers vóór het jaar 2000 zouden slagen voor de Turing Test.

In 1952 werd Turing opgepakt voor openlijke homoseksualiteit, destijds nog een misdaad in Groot-Brittannië. Hij werd veroordeeld tot een hormoontherapie van een jaar om zijn homoseksualiteit te onderdrukken. In 1954 werd Turing dood in zijn bed gevonden, vergiftigd door cyanide. Hoewel een duidelijk motief ontbreekt, heeft hij waarschijnlijk zelfmoord gepleegd. Zijn moeder en enkele anderen dachten echter dat het een ongeluk was geweest.

In 2009 bood de Britse premier Gordon Brown openlijk excuses aan voor Turings veroordeling.

Turings naam is verbonden aan de Turing Award, die sinds 1966 jaarlijks wordt uitgereikt. Deze prijs wordt beschouwd als de Nobelprijs voor informatica.

2012 is het internationale Alan Turing-jaar, vanwege zijn honderdste geboortejaar:

Meer over Alan Turing op de website van Turing-biograaf Andrew Hodges:

Monday, September 6, 2010

Eerste humanoïde robot gaat de ruimte in

NASA stuurt de eerste humanoïde robot de ruimte in. Robonaut 2 of R2 vliegt op 1 november 2010 mee met Space Shuttle Discovery naar het International Space Station (ISS).

Nou ja, het woord 'humanoïde' belooft meer dan R2 kan waarmaken. Het enige humanoïde is zijn uiterlijk, maar dan alleen nog maar de romp en het hoofd. De eerste versie die meevliegt heeft nog geen benen of wielen en de intelligentie en fysieke mogelijkheden zijn beperkt. R2 gaat eenvoudige taken uitvoeren zoals het schoonmaken van luchtfilters en het vasthouden van instrumenten. Het belangrijkste doel is om te onderzoeken hoe robots zich in de ruimte gedragen en om de bemanning een extra paar handen te geven.

In de tweede fase moet de robot ook benen krijgen en de de derde fase wordt de robot geschikt gemaakt om ook operaties buiten ISS uit te voeren.

Wednesday, September 1, 2010

Top Ten Myths of Popular Psychology

SKEPTIC presents the Top 10 Myths of popular psychology:

1. We Only Use 10% of our Brains

2. It’s Better to Express Anger Than to Hold it in

3. Low Self-Esteem is a Major Cause of Psychological Problems

4. Human Memory Works like a Video Camera

5. Hypnosis is a Unique “Trance” State Differing in Kind from Wakefulness

6. The Polygraph Test is an Accurate Means of Detecting Lies

7. Opposites Attract

8. People with Schizophrenia Have Multiple Personalities

9. Full Moons Cause Crimes and Craziness

10. A Large Proportion of Criminals Successfully Use the Insanity Defense