Wetenschap

Proberen te leren van ons denken

Het brein verslaat de computer

Een computer zonder bits en bytes, razendsnel en energiezuinig. Net als je hersenen. Dat zou wel eens de toekomst kunnen zijn. Het nieuwe onderzoekscentrum CogniGron van de RUG zoekt naar materialen die dat mogelijk maken.
Door Christine Dirkse / Foto Reyer Boxem

Kijk eens naar een foto van een kat. Een mens ziet direct dat het een kat is en geen hond. Een supercomputer kan dat onderscheid ook maken. ‘Maar’, zegt wetenschapscoördinator Jasper van der Velde van het nieuwe onderzoekscentrum CogniGron, ‘die heeft honderd duizenden Watts nodig om dit te kunnen. Het brein van een mens heeft hier ongeveer twintig Watt voor nodig.’

Net zoveel energie als een gloeilamp gebruikt om licht te geven. Kortom: als je de huidige computers vergelijkt met hersenen, dan winnen de hersenen het in vele opzichten.

Hersenen zijn vele malen beter in het herkennen van patronen dan computers. Dat komt doordat ze anders omgaan met informatie. Dat zit hem vooral in de relatie tussen geheugen en informatieverwerking.

‘Bij traditionele computers zijn dat twee aparte componenten’, legt Van der Velde uit. ‘Voordat de computer de kat op een afbeelding herkent, moet er steeds informatie heen en weer gestuurd worden tussen het geheugen en de processor. Want daar vindt informatieverwerking plaats.’

Duizenden miljoenen

Maar bij je hersenen zijn processor en geheugen onderdeel van hetzelfde complexe netwerk van neuronen en synapsen. Ze kunnen dus signalen tegelijkertijd naar verschillende plekken in het brein sturen.

‘Daardoor kunnen onze hersenen het beeld dat onze ogen waarnemen veel sneller vergelijken met beelden van katten en honden in ons geheugen. En dat alles doen die hersenen dan ook nog op heel kleine schaal: in een menselijke schedel zitten duizenden miljoenen verbindingen tussen neuronen die dit mogelijk maken.’

Daar willen de onderzoekers van het nieuwe onderzoekscentrum CogniGron van leren. ‘Wij denken dat het mooi zou zijn als we computers hadden die deze eigenschappen ook hebben’, zegt Van der Velde.

Computers hebben domweg de efficiëntie niet

Om dat voor elkaar te krijgen, hebben ze bijzondere materialen nodig. Materialen die informatie kunnen verwerken én opslaan en die netwerken kunnen vormen. ‘We proberen materialen te maken op nanoschaal die sommige van deze eigenschappen hebben. Die hopen we dan te combineren tot zogenaamde neuromorphic chips; chips die qua werking lijken op hersenen.’

Ongebruikt

Die chips hoeven de hersenen niet precies na te bootsen; computers hoeven immers niet hetzelfde te kunnen. ‘Het gaat erom dat ze die eigenschappen hebben die hersenen beter maken dan computers.’

Dat zou betekenen dat ze eindeloos veel toepassingen hebben in onze maatschappij. ‘We verzamelen nu al veel data’, legt Van der Velde uit, ‘maar veel daarvan blijft ongebruikt op de plank liggen. Computers hebben domweg de efficiëntie niet om er alles uit te halen wat erin zit. Maar als computers beter worden in patroonherkenning en efficiënter met gegevens om gaan, kunnen we daar ontzettend veel uithalen.’

Denk bijvoorbeeld aan medische gegevens. ‘Als computers beter en sneller patronen herkennen, kunnen ze overeenkomsten tussen groepen vinden. Dan kunnen artsen heel persoonlijke behandelplannen opstellen aan de hand van je persoonlijke kenmerken’, denkt Van der Velde.

En computers die beter zijn in patroonherkenning, worden ook beter in beeld. ‘Die combinatie kan gebruikt worden voor het verbeteren van de nationale veiligheid, of veilige zelfrijdende auto’s.’

Multidisciplinair

De RUG is niet de enige die op deze manier efficiëntere computers wil maken. ‘Sommige grote partijen, zoals IBM en Intel, zijn daar ook mee bezig’, weet Van der Velde. Die hebben zelfs al werkende platforms met dezelfde achtergrond. Het verschil is dat zij deels nog wel gebruik maken van de klassieke technologie. Dat blijkt computers ook al efficiënter te maken. ‘En dat laat zien dat ons idee, om andere, mogelijk nog efficiëntere materialen te gebruiken, potentie heeft.’

De kracht van CogniGron is dat we bewust multidisciplinair werken

Ook andere universiteiten zetten erop in. In Twente start het onderzoekscentrum BRAINS, dat min of meer dezelfde doelstelling heeft. ‘Maar de kracht en het unieke punt van CogniGron is dat we bewust multidisciplinair werken.’

Het Zernike Instituut is er bijvoorbeeld bij betrokken, met zijn kennis van materiaalkunde, natuurkunde en scheikunde. Maar ook het Bernoulli Instituut met wiskunde, computerwetenschappen en kunstmatige intelligentie.

‘Bij kunstmatige intelligentie hebben ze allang ervaring met neurale netwerken; computers die de parallelle dataverwerking van hersenen nabootsen’, zegt Van der Velde. ‘Zij weten wat er nodig is om die netwerken te verbeteren.’

Funding

De materiaalkundigen kunnen vervolgens op zoek naar stoffen die de benodigde eigenschappen hebben, terwijl wiskundigen de technieken fundamenteel kunnen onderbouwen. ‘Daarnaast zijn de wetenschappers van CogniGron er goed in om verschillende type materialen zo te ontwikkelen dat ze al taken kunnen leren op het niveau van hardware.’

De ambities zijn groot. Dankzij een schenking kunnen twaalf hoogleraren aangesteld worden en een flink aantal promovendi. Er is nu funding voor de komende zes jaar.

‘In die jaren willen we demonstreren dat nieuwe materialen inderdaad een aantal gunstige eigenschappen van ons brein kunnen implementeren op nanoschaal. En dat we complexe systemen kunnen bouwen die de basis leggen van een nieuw type computer.’

English