Als junge Absolventin machte ich einen Schnorchel-Ausflug
In my early days as a graduate student,
auf die Bahamas. Ich war vorher noch nie im Meer geschwommen und war deswegen etwas ängstlich. Ich erinnere mich besonders daran, dass ich untertauchte und mich bemühte, durch den Schnorchel zu atmen, als plötzlich eine riesige Gruppe gelb-schwarz gestreifter Fische direkt auf mich zuschwamm ... und mich vor Schreck erstarren ließ. Aber dann, als hätten sie plötzlich ihre Meinung geändert, drehten sie abrupt nach rechts ab und schwammen um mich herum. Es war absolut faszinierend. Vielleicht haben Sie das selbst schon erlebt. Es war nicht nur die Farbe und Schönheit des Ganzen, sondern auch die schiere Geschlossenheit; als wären es nicht Hunderte von Fischen, sondern eine Einheit mit einem einzigen kollektiven Verstand, der Entscheidungen trifft. Zurückblickend denke ich, diese Erfahrung war ausschlaggebend für das Thema, an dem ich seit Jahren arbeite.
I went on a snorkeling trip off the coast of the Bahamas. I'd actually never swum in the ocean before, so it was a bit terrifying. What I remember the most is, as I put my head in the water and I was trying really hard to breathe through the snorkel, this huge group of striped yellow and black fish came straight at me ... and I just froze. And then, as if it had suddenly changed its mind, came towards me and then swerved to the right and went right around me. It was absolutely mesmerizing. Maybe many of you have had this experience. Of course, there's the color and the beauty of it, but there was also just the sheer oneness of it, as if it wasn't hundreds of fish but a single entity with a single collective mind that was making decisions. When I look back, I think that experience really ended up determining what I've worked on for most of my career.
Ich bin Informatikerin und beschäftigte mich mit künstlicher Intelligenz. Ein zentrales Thema der KI ist, mit Hilfe von Computersystemen Intelligenz zu entschlüsseln, indem wir intelligentes Verhalten aus der Natur abbilden. Die meistverbreitete Auffassung von KI basiert auf Science-Fiction und Filmen. Ich selbst bin ein großer Star Wars-Fan. Aber das ist eine sehr menschliche Anschauung von Intelligenz. Wenn Sie sich einen Fisch- oder Vogelschwarm vorstellen, scheint das eine ganz andere Art von Intelligenz zu sein. Zum einen ist jeder einzelne Fisch winzig im Vergleich zu der unglaublichen Größe des Kollektivs. Jedes Individuum scheint nur eine sehr begrenzte Sicht auf das Gesamtgeschehen zu haben. Intelligenz ist weniger eine individuelle Leistung als eine Eigenschaft der Gruppe in ihrer Gesamtheit.
I'm a computer scientist, and the field that I work in is artificial intelligence. And a key theme in AI is being able to understand intelligence by creating our own computational systems that display intelligence the way we see it in nature. Now, most popular views of AI, of course, come from science fiction and the movies, and I'm personally a big Star Wars fan. But that tends to be a very human-centric view of intelligence. When you think of a fish school, or when I think of a flock of starlings, that feels like a really different kind of intelligence. For starters, any one fish is just so tiny compared to the sheer size of the collective, so it seems that any one individual would have a really limited and myopic view of what's going on, and intelligence isn't really about the individual but somehow a property of the group itself.
Zweitens, und das ist wirklich bemerkenswert, haben Fischschwärme keine zentrale Steuerung oder Kontrollinstanzen. Stattdessen resultiert das unglaubliche Kollektivverhalten ausschließlich aus den Interaktionen der einzelnen Fische untereinander. Es sind diese Interaktionen oder Verhaltensalgorithmen zwischen benachbarten Fischen, die zum Erfolg führen.
Secondly, and the thing that I still find most remarkable, is that we know that there are no leaders supervising this fish school. Instead, this incredible collective mind behavior is emerging purely from the interactions of one fish and another. Somehow, there are these interactions or rules of engagement between neighboring fish that make it all work out.
Also stellt sich im Bereich KI die Frage: Welche Verhaltensalgorithmen führen zu dieser Art von Intelligenz und können wir sie selbst erschaffen?
So the question for AI then becomes, what are those rules of engagement that lead to this kind of intelligence, and of course, can we create our own?
Das ist das zentrale Forschungsthema meines Teams. Wir bearbeiten theoretische Modelle und untersuchen abstrakte Regelsysteme, um die mathematischen Modelle dahinter zu verstehen. Wir arbeiten mit experimentellen Biologen zusammen. Aber primär befassen wir uns mit Robotik. Wir entwickeln unsere eigenen kollektiven Systeme, um das Schwarmverhalten der Natur nachzubilden -- zumindest versuchen wir es.
And that's the primary thing that I work on with my team in my lab. We work on it through theory, looking at abstract rule systems and thinking about the mathematics behind it. We also do it through biology, working closely with experimentalists. But mostly, we do it through robotics, where we try to create our own collective systems that can do the kinds of things that we see in nature, or at least try to.
Eine unserer ersten Aufgabenstellungen war die Erschaffung unserer eigenen Kolonie von tausend Robotern. Es waren zwar sehr einfache Roboter, aber wir schafften es, ihnen kollektive Intelligenz einzuprogrammieren. So sieht ein einzelner Roboter aus: ziemlich klein, etwa die Größe eines Vierteldollars. Seine Bewegung kann programmiert werden, aber er kann auch drahtlos mit anderen Robotern kommunizieren und Abstände zu ihnen abmessen. Nun können wir eine genaue Interaktion, also einen Verhaltensalgorithmus zwischen Nachbarn programmieren. Auf Basis dieses Modells können wir zahlreiche Algorithmen programmieren, wie es sie auch in der Natur gibt.
One of our first robotic quests along this line was to create our very own colony of a thousand robots. So very simple robots, but they could be programmed to exhibit collective intelligence, and that's what we were able to do. So this is what a single robot looks like. It's quite small, about the size of a quarter, and you can program how it moves, but it can also wirelessly communicate with other robots, and it can measure distances from them. And so now we can start to program exactly an interaction, a rule of engagement between neighbors. And once we have this system, we can start to program many different kinds of rules of engagement that you would see in nature.
Ein Beispiel ist die spontane Synchronisation, bei der plötzlich das gesamte Publikum klatscht, oder Glühwürmchen, die gleichzeitig aufleuchten.
So for example, spontaneous synchronization, how audiences are clapping and suddenly start all clapping together, the fireflies flashing together.
Wir können Algorithmen zur Musterbildung programmieren, wie Gewebezellen ihre Rolle festlegen und die Struktur unseres Körpers bestimmen. Wir können Bewegungsalgorithmen festlegen und auch hier von der Natur lernen.
We can program rules for pattern formation, how cells in a tissue determine what role they're going to take on and set the patterns of our bodies. We can program rules for migration, and in this way, we're really learning from nature's rules.
Wir können noch einen Schritt weiter gehen, indem wir diese Algorithmen verbinden und dadurch völlig neue kollektive Verhaltensweisen erschaffen.
But we can also take it a step further. We can actually take these rules that we've learned from nature and combine them and create entirely new collective behaviors of our very own.
Stellen Sie sich vor, Sie haben zwei verschiedene Algorithmen: erstens einen Bewegungsalgorithmus, durch den ein Roboter sich um andere Roboter herum bewegt. Zweitens einen Verhaltensalgorithmus, durch den ein Roboter die Farbe seiner Nachbarn annimmt. In einer kleinen Versuchsanordnung reichen diese beiden Regeln aus, damit die Roboter selbständig ein einfaches Linienmuster erschaffen können. Durch kompliziertere Algorithmen und den Einsatz von Fehlerkorrektur-Codes können so äußerst komplexe autonome Einheiten entstehen. Und diese sehen so aus.
So for example, imagine that you had two different kinds of rules. So your first rule is a motion rule where a moving robot can move around other stationary robots. And your second rule is a pattern rule where a robot takes on a color based on its two nearest neighbors. So if I start with a blob of robots in a little pattern seed, it turns out that these two rules are sufficient for the group to be able to self-assemble a simple line pattern. And if I have more complicated pattern rules, and I design error correction rules, we can actually create really, really complicated self assemblies, and here's what that looks like.
Hier sehen Sie Tausende von Robotern, die gemeinsam den Buchstaben K formen. Das K liegt auf der Seite. Das Bemerkenswerte ist, es gibt keine zentrale Steuerung. Jeder einzelne Roboter kommuniziert nur mit wenigen benachbarten Robotern und nutzt seine Bewegungsregel innerhalb des halbfertigen Aufbaus, um basierend auf seinen Musterregeln den passenden Platz zu finden. Obwohl kein Roboter fehlerlos agiert, erreicht die Gemeinschaft von Einzelkomponenten durch die Regeln ihr Ziel. Die Illusion ist so perfekt, dass man gar nicht mehr die einzelnen Roboter wahrnimmt, sondern nur die gesamte Einheit, ganz ähnlich einem Fischschwarm.
So here, you're going to see a thousand robots that are working together to self-assemble the letter K. The K is on its side. And the important thing is that no one is in charge. So any single robot is only talking to a small number of robots nearby it, and it's using its motion rule to move around the half-built structure just looking for a place to fit in based on its pattern rules. And even though no robot is doing anything perfectly, the rules are such that we can get the collective to do its goal robustly together. And the illusion becomes almost so perfect, you know -- you just start to not even notice that they're individual robots at all, and it becomes a single entity, kind of like the school of fish.
Diese Roboter und Algorithmen sind zweidimensional; wir können aber auch dreidimensionale Roboter und Regeln erwägen. Können wir Roboter erschaffen, die gemeinsam etwas aufbauen? Die Inspiration dazu kommt aus dem Insektenreich. Denken Sie an Hügel bildende Termiten oder an Wanderameisen, die unglaublich komplexe Nester aus Erde und sogar aus ihren eigenen Körpern bauen. Ähnlich der vorherigen Versuchsanordnung verfügen diese Insekten über Algorithmen, die bestimmen, was gebaut wird, und zwar entweder aus den Insektenkörpern selbst oder auch aus Schlamm. Auf Basis dieses Modells erstellen wir Algorithmen für Roboter.
So these are robots and rules in two dimensions, but we can also think about robots and rules in three dimensions. So what if we could create robots that could build together? And here, we can take inspiration from social insects. So if you think about mound-building termites or you think about army ants, they create incredible, complex nest structures out of mud and even out of their own bodies. And like the system I showed you before, these insects actually also have pattern rules that help them determine what to build, but the pattern can be made out of other insects, or it could be made out of mud. And we can use that same idea to create rules for robots.
Hier sehen Sie simulierte Roboter. Wir nutzen einen Bewegungsalgorithmus zur Fortbewegung innerhalb der Struktur, um einen Platz zu finden, in den sie hineinpassen. Verhaltensalgorithmen entscheiden darüber, ob sie einen Block absetzen. Mit den richtigen Bewegungs- und Verhaltensalgorithmen können die Roboter alles Mögliche bauen. Wer möchte nicht seinen eigenen Turm haben?
So here, you're going to see some simulated robots. So the simulated robot has a motion rule, which is how it traverses through the structure, looking for a place to fit in, and it has pattern rules where it looks at groups of blocks to decide whether to place a block. And with the right motion rules and the right pattern rules, we can actually get the robots to build whatever we want. And of course, everybody wants their own tower.
(Lachen)
(Laughter)
Sobald die Algorithmen erstellt sind, können wir entsprechende Roboter bauen, etwa einen Roboter, der Blöcke überwinden kann. Er kann diese Blöcke auch anheben, bewegen und sogar die Gesamtstruktur verändern. Das ist nur eine Möglichkeit des physischen Aufbaus von Robotern. Es kann viele weitere Arten von Robotern geben. So können Roboter zum Beispiel Sandsäcke bewegen und beim Bau von Dämmen eingesetzt werden. Roboterverbände aus formbaren Materialien könnten ein eingestürztes Gebäude stabilisieren. Es sind die gleichen Algorithmen, nur andere Arten von Robotern. Wenn Sie wie ich und mein Team fasziniert von Wanderameisen sind, denken Sie vielleicht an Roboter, die über Hindernisse klettern können, sogar über andere Mitglieder ihrer Gruppe, und aus ihren eigenen Körpern Bauten formen können. Sobald man das Prinzip versteht, ergeben sich daraus zahlreiche Möglichkeiten.
So once we have these rules, we can start to create the robot bodies that go with these rules. So here, you see a robot that can climb over blocks, but it can also lift and move these blocks and it can start to edit the very structure that it's on. But with these rules, this is really only one kind of robot body that you could imagine. You could imagine many different kinds of robot bodies. So if you think about robots that maybe could move sandbags and could help build levees, or we could think of robots that built out of soft materials and worked together to shore up a collapsed building -- so just the same kind of rules in different kinds of bodies. Or if, like my group, you are completely obsessed with army ants, then maybe one day we can make robots that can climb over literally anything including other members of their tribe, and self-assemble things out of their own bodies. Once you understand the rules, just many different kinds of robot visions become possible.
Um auf meinen Tauchausflug zurückzukommen: Wir verstehen viel von den Regeln, denen Fischschwärme folgen. Wenn wir also die passenden Roboter entwickeln können, schwimmen mein Team und ich vielleicht eines Tages durch einem von uns erschaffenen Fischschwarm.
And coming back to the snorkeling trip, we actually understand a great deal about the rules that fish schools use. So if we can invent the bodies to go with that, then maybe there is a future where I and my group will get to snorkel with a fish school of our own creation.
Jedes der vorgestellten Modelle bringt uns näher an die mathematischen und konzeptionellen Werkzeuge heran, mit denen wir unsere eigenen Versionen kollektiver Intelligenz entwickeln. Das bringt vielfältige Einsatzmöglichkeiten mit sich. Denken Sie etwa an Roboter, die Flutdämme errichten oder als Bienenkolonien Nutzpflanzen bestäuben. Denken Sie an Roboterschwärme, die unter Wasser Korallenriffe überwachen. Wir können auch noch viel weiter gehen und an die Programmierung von Satellitenkonstellationen denken. Der Schlüssel zur Realisierung jeder dieser Visionen ist das Verständnis dafür, wie diese Algorithmen und das gewünschte kollektive Verhalten zu konzipieren sind.
Each of these systems that I showed you brings us closer to having the mathematical and the conceptual tools to create our own versions of collective power, and this can enable many different kinds of future applications, whether you think about robots that build flood barriers or you think about robotic bee colonies that could pollinate crops or underwater schools of robots that monitor coral reefs, or if we reach for the stars and we thinking about programming constellations of satellites. In each of these systems, being able to understand how to design the rules of engagement and being able to create good collective behavior becomes a key to realizing these visions.
Ich habe über Algorithmen in Bezug auf Insekten, Fische und Roboter gesprochen. Was aber ist mit den Algorithmen für uns Menschen als Gesellschaft? Ich möchte Ihnen den Gedanken mit auf den Weg geben, dass die Wissenschaft selbst ein unglaublicher Ausdruck kollektiver Intelligenz ist. Im Gegensatz zu den wunderschönen Fischschwärmen, die ich erforsche, haben wir aber noch einen weiten, evolutionären Weg vor uns. Neben meiner Forschung im Bereich der Roboterschwärme arbeite ich auch an Robotern und Algorithmen, die unsere wissenschaftliche Gemeinschaft bereichern sollen. Ich liebe das Sprichwort: "Was Wissenschaft zu leisten vermag, bemisst sich am Wissenschaftler selbst." Stellen Sie sich eine Gesellschaft mit Verhaltensregeln vor, in der jedes Kind in der Gewissheit aufwächst, ein Zukunftsforscher sein zu können, und in der jeder Erwachsene daran glauben würde, die Auswirkungen von Wissenschaft und Technologie auf unseren Alltag nicht nur zur verstehen, sondern auch ändern zu können. Wie würde diese Gesellschaft aussehen? Ich glaube, das ist machbar. Wir können unsere Regeln wählen und nicht nur Roboter erschaffen, sondern unsere eigene menschliche Gesellschaft. Und wenn es soweit ist, wird diese Gesellschaft großartig sein.
So, so far I've talked about rules for insects and for fish and for robots, but what about the rules that apply to our own human collective? And the last thought that I'd like to leave you with is that science is of course itself an incredible manifestation of collective intelligence, but unlike the beautiful fish schools that I study, I feel we still have a much longer evolutionary path to walk. So in addition to working on improving the science of robot collectives, I also work on creating robots and thinking about rules that will improve our own scientific collective. There's this saying that I love: who does science determines what science gets done. Imagine a society where we had rules of engagement where every child grew up believing that they could stand here and be a technologist of the future, or where every adult believed that they had the ability not just to understand but to change how science and technology impacts their everyday lives. What would that society look like? I believe that we can do that. I believe that we can choose our rules, and we engineer not just robots but we can engineer our own human collective, and if we do and when we do, it will be beautiful.
Vielen Dank. (Applaus)
Thank you. (Applause)