N° 29 Ein Fadenwurm parkt ein? // A Nematode Can Park a Car?

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Oft sind es die kleinen Randnotizen in Zeitungen oder kleine Bemerkungen in Rundfunk und Fernsehen die tief blicken lassen und/oder Fragen aufwerfen. Wenn man sie überhaupt entdeckt, sich die Mühe macht sie zu lesen, darüber nachzudenken und sie in den enormen alltäglichen Informationsfluss einzuordnen… „Ein Wurm parkt ein“, lautete unlängst die Überschrift einer solchen kleinen Notiz im Wissens-Teil einer deutschen Tageszeitung. Überfliegt man den kurzen Text nur, lacht oder schmunzelt man vielleicht darüber, denkt sich „wie kurios!“ und blättert weiter. Bemüht man sich aber das Geschriebene wirklich zu verstehen, werden die Falten auf der eigenen Stirn immer tiefer...und lachen kann man auch nur noch bedingt:

 

Zunächst geht es darum, daß Wissenschaftler das Nervensystem eines Nematoden, - des oben genannten Fadenwurms (haardünn, ca. 1mm lang) am Computer nachgebaut haben und es mit geeigneten Lernalgorhitmen so lange trainiert haben, bis es ein Schuhschachtel kleines Auto voller Sensoren in eine Parklücke einparken konnte...“kurios!“ könnte man jetzt wie gesagt denken und die Zeitung einfach weglegen. Fertig. Aber: was impliziert dieser erste Abschnitt alles?

 

1. Im Nervensystem dieser winzigen Lebensform sind offenbar die Grundlagen für Lernfähigkeit und adaptives Verhalten gegeben.

 

2. Das bedeutet, daß selbst im Kleinsten unseres Großen Ganzen mit und in dem wir co-existieren, die  Anlagen vorhanden sind die auch für komplexe Systeme angewendet werden.

 

3. Es untermauert Darwins These, daß sich die Lebensformen aufeinander aufbauend entwickelt und entfaltet haben/worden sind...wie auch immer.

 

4. Offenbar ist man fähig mindestens Teile dieser grundsätzlichen Anlagen am Computer nachzubauen und diese mittels bestimmter Methoden je nach Wunsch zu manipulieren bzw. zu trainieren.

 

Die hierbei genutzte „natürliche Anlage“ ist der Reflex des Wurms sich bei Berührung zurück zu ziehen. Dieser Reaktions-Reflex wird für die Impulsgebung des Lenkens und Beschleunigens des Fahrzeugs (Schuhschachtel…) genutzt, d.h. ein reaktiver Nervenimpuls wird in eine gewünschte Handlung umgesetzt. Donnerwetter! Wie funktioniert das? Offenbar hat man eine spezielle Variante rückgekoppelter neuronaler (also aus Nerven bestehender…?!) Netzwerke entwickelt, sogenannten RNN. Diese haben „quasi“ eine Gedächtnis-Funktion und können durch Feedbacks und Erfahrungen lernen (Lernalgorhitmen). Laut dem Artikel bilden diese RNNs die Grundlage für künstliche Intelligenz in verschiedenen Anwendungen (Apps…!), von Spracherkennungssoftware, - etwa in Smartphones, bis zu virtuellen Spielern.

 

Natürlich werden (bislang?) keine organischen Nervenzellen in elektronische Geräte verbaut, sondern die Systeme werden am Computer konstruiert und vmtl. auf Schaltkreise im Nanobereich übertragen. Das erklärt warum man sich an so einfache Organismen als Vorbild hält wie Fadenwürmer, - sie sind nicht zu komplex aufgebaut. Im nächsten Abschnitt wird die Besonderheit des Fadenwurm-Vorbildes beschrieben:

 

Weil es aus dem „echten Leben“ stammt und auf Überleben in einer konkreten Umwelt ausgelegt ist, ist es reaktiv und wandelbar. Deshalb ist es effizienter. Wie das? Nun, - offenbar ist das gewöhnliche RNN-Model starr, es gibt zwischen dem einen Neuron und einem anderen nur eine unwandelbare Verbindung, die strikt festlegt, Zitat: „wie stark das eine Neuron die Aktivität des anderen beeinflußt.“, das bedeutet wohl auch, daß man viele einzelne Schritte (und damit auch Energie und Platz) braucht um komplexere Aktionen abzurufen… Verständlich, ist ja auch nur ein Nachbau von etwas natürlichem... Aber dann kommt ein überaus interessantes Zitat: „In unseren neuartigen RNN ist diese Verbindung eine nicht-lineare Funktion der Zeit.“ Was genau bedeutet „nicht-lineare Funktion der Zeit“? Den Begriff linear in Bezug auf Zeit verstehe ich als Bezeichnung für eine Abfolge von einem festgelegten Anfang zu einem festgelegten Ende (oder anders herum wenn man phantasievoll seien will), - etwa wie auf den Tag die Nacht folgt und dann der nächste Tag. Nicht-lineare Zeit wäre nicht an diese festgelegten Abläufe gebunden…???!! Das entspricht zwar meinem persönlichen Empfinden und meinen Vermutungen zum Wesen der Zeit, aber wie sieht diese mathematische Funktion aus? Und noch viel interessanter: wie kann man diese Berechnungen zu nicht-linearer Zeit in tatsächliche Handlungsabläufe in der „echten“, physischen Welt umsetzen??! Als Umsetzungs-Beispiel werden in dem Artikel selbstfahrende Autos erwähnt…

 

Im letzten Abschnitt des kleinen Artikels werden noch Kritikpunkte an dem Verfahren von Wissenschafts-Kollegen erwähnt. Dabei ist interessant, dass sich ein Kritiker auf bessere Problemlösungen bei klassischen neuronalen Netzwerken beruft, die vor rund 30 Jahren angewendet wurden. Das heißt, daß man schon seit ca. 1988 an derartigen Verfahren und Funktionsweisen arbeitet. Aha. Und was sind klassische neuronale Netzwerke von damals und inwiefern waren die besser?

 

Ich bin jedenfalls gespannt auf die angekündigte Publikation des entsprechenden Wissenschaftlers in ca. 6 Monaten und werde in diesem Fall sogar aktiv nach ihr Ausschau halten im Netz.

 

Aber warum schreibe ich über solche Dinge? Nun, zum einen weil ich es erstaunlich finde, daß solche wirklich wichtigen Informationen nur so wenig Platz bekommen in Tageszeitungen. Zum anderen, weil ich mich wirklich für das Thema interessiere und schließlich, weil ich weitere „menschliche Lücken“ kommen sehe. Denn, wenn der Wurm das Auto fährt und einparkt, Telefonate entgegennimmt, das Haus putzt, Bestellungen ausliefert…was machen dann die Leute? Vermutlich ein online Spiel auf dem Smartphone (gegen einen Wurm), oder sie arbeiten noch mehr, - am mit und an was?

 

Hmmmmmm…..

 

Wer weiß? Vielleicht ist es ja gar nicht mehr so weit bis zum Gartenarbeit-Roboter für schreiende User-Onkels… :-D

 

 

BerylliumN  

N° 29  A Nematode Can Park a Car!

 

 

Often the small notes in a newspaper or passing comments on the radio are the ones which bear the really interesting information and are truly revealing. Of course one has to make a little effort to notice them, like listening or reading attentively, otherwise you‘d miss them within this constant storm of media input. I wonder if this is intended… And when you detected them you‘d still have to give them a moment of your time and think about what you just heard or read. „A Thread Worm Parking a Car“ was the titel of such a small note in the science part of a German daily newspaper. If you only skim briefly through the text, you might laugh and think „how curious!“, before you turn the page and get on with your morning routine. But if you can‘t help wanting to scrutinize each and everything once it caught your attention (like me) and make the effort to re-read it until you fully comprehend it, the lines on your forehead deepen and you cannot really laugh anymore either:

 

The first part of the article tells the reader about the successful attempt of a scientist to copy the central nervous system of a Nematode on the Computer and trained it with adequate algorithms up to a point where it could actually park a car the size of a shoebox in a parking gab which was equipped with all kinds of different sensors. So far so good. But what does that information implicate?

 

1. In the nervous system of this tiny creature the basic principles of learning strategies and adaptive behaviour are inscripted.

 

2. That means that even the tiniest life-forms have the same basics that can be found in the more complex big picture, - the world, with and within which we have to coexist.

 

3. It also confirms Charles Darwins thesis of the evolution of the species from simple to more complex (building upon one another).

 

4. Obviously bioinformatics is capable of copying at least parts of these natural predispositions at the computer and training them with specific techniques to their wishes... And that they are doing it indeed.

 

The particular predisposition in use for the above-mentioned endeavour is the natural reflex of the Nematode to contract when touched. This reflex gets used to give the impulse for steering and/or accelerating the shoebox-car...and that means a neural impulse is transferred purposefully into a desired action! Gosh! How do they do that? Well, apparently they developed a specific version of a recurrent neural network (RNN), - or presumably rather a model of that. I hope. This specific RNN has some sort of memory-function and is able to learn from feedback and experience, - so called „learning-algorithms“. According to the article these RNNs are the basis for artificial intelligence in various applications, i.g. voice recognition or virtual Go-Players.

 

The naming of this technique is a bit confusing, for „neural“ network sounds like real organic material to me, but as far as I gathered they talk about copied models at the PC, which are transferred onto micro- chips at the nanoscale. This explains why scientists stick to simple organisms, - like Nematodes, because they are easier to reconstruct. But in the next paragraph of the article the distinctive feature of the Nematode-concept is described:

 

Because it resembles „real life“ and therefore is made for survival under ever changing conditions in a very concrete and tangible environment, it is reactive and variable...which makes it more efficient. Why in particular? Well, obviously the „normal“ RNN-model which is not taken from the example of the Nematode, is too rigid and...sort of „bulky“:  there is always just a single, invariable connection between one neuron and the other determining the proportion of the activity of a neuron. This means more intervals are required (and therefore more space and energy) to get coplex actions going. Then there is a very interesting quote: „Within our new RNN this connection is a non-linear time-function“. What exactly does non linear time-function mean? I understand the term linear regarding to time is a denotation for a determined sequence between a beginning and an end (or the other way round if you want to be imaginative), - i.g. after day there will be night. But non-linear time wouldn‘t be bound to this determined direction???!!!

This definitely agrees with my own point of view regarding to the essence of time itself and my presumptions…but what kind of non-linear function might that be? How would the math look like? Would I understand it, - at least its basics? And, - maybe even more interesting: how can this kind of math-equation get transferred into live action, i.g. in a car?

 

The last paragraph of the article points out some critics of the Nematode-RNN-model from fellow scientists. For me the most astonishing aspect of the critisism is that one other scientist is referring to a model called „classical neural-network“ from over 30 years (!) ago, - which in his opinion was /is more efficient. That means there has been research since around 1988 involving neural networking! All right... And what exactly are classical neural-networks? And why are they better? I‘m curious to read the announced publication of the Nematode-RNN scientist, which should be due within 6 months, - so they say. This time I will deliberately watch out for it.

 

Maybe a garden-work robot for the demanding user-uncle will sooner be available as one might think… :-)

 

And apart from that, - why am I writing about such things? Well, partly because I think it is puzzling how really important things only get small spaces in newspapers, partly because I take a genuine interest in the subject. And last but not least because I can see another human void coming (or many of them). For, if the worm drives and parks the car, answers telephone calls, cleans the house, delivers people‘s orders... what are people doing then? Presumably playing an online game on the smartphone (against a worm) or maybe working even harder? But what are they going to work with or at?

 

Hmmmm…..

 

BerylliumN