What intelligent machines can learn from a school of fish | Radhika Nagpal

Übersetzung: Simone Schuett Lektorat: Swenja Gawantka

In my early days as a graduate student,

Als junge Absolventin machte ich einen Schnorchel-Ausflug

I went on a snorkeling trip off the coast of the Bahamas.

auf die Bahamas.

I'd actually never swum in the ocean before,

Ich war vorher noch nie im Meer geschwommen

so it was a bit terrifying.

und war deswegen etwas ängstlich.

What I remember the most is, as I put my head in the water

Ich erinnere mich besonders daran, dass ich untertauchte

and I was trying really hard to breathe through the snorkel,

und mich bemühte, durch den Schnorchel zu atmen,

this huge group of striped yellow and black fish

als plötzlich eine riesige Gruppe gelb-schwarz gestreifter Fische

came straight at me ...

direkt auf mich zuschwamm ...

and I just froze.

und mich vor Schreck erstarren ließ.

And then, as if it had suddenly changed its mind,

Aber dann, als hätten sie plötzlich ihre Meinung geändert,

came towards me and then swerved to the right

drehten sie abrupt nach rechts ab

and went right around me.

und schwammen um mich herum.

It was absolutely mesmerizing.

Es war absolut faszinierend.

Maybe many of you have had this experience.

Vielleicht haben Sie das selbst schon erlebt.

Of course, there's the color and the beauty of it,

Es war nicht nur die Farbe und Schönheit des Ganzen,

but there was also just the sheer oneness of it,

sondern auch die schiere Geschlossenheit;

as if it wasn't hundreds of fish

als wären es nicht Hunderte von Fischen,

but a single entity with a single collective mind

sondern eine Einheit mit einem einzigen kollektiven Verstand,

that was making decisions.

der Entscheidungen trifft.

When I look back, I think that experience really ended up determining

Zurückblickend denke ich,

diese Erfahrung war ausschlaggebend für das Thema,

what I've worked on for most of my career.

an dem ich seit Jahren arbeite.

I'm a computer scientist,

Ich bin Informatikerin

and the field that I work in is artificial intelligence.

und beschäftigte mich mit künstlicher Intelligenz.

And a key theme in AI

Ein zentrales Thema der KI ist,

is being able to understand intelligence by creating our own computational systems

mit Hilfe von Computersystemen Intelligenz zu entschlüsseln,

that display intelligence the way we see it in nature.

indem wir intelligentes Verhalten aus der Natur abbilden.

Now, most popular views of AI, of course, come from science fiction and the movies,

Die meistverbreitete Auffassung von KI basiert auf Science-Fiction und Filmen.

and I'm personally a big Star Wars fan.

Ich selbst bin ein großer Star Wars-Fan.

But that tends to be a very human-centric view of intelligence.

Aber das ist eine sehr menschliche Anschauung von Intelligenz.

When you think of a fish school,

Wenn Sie sich einen Fisch- oder Vogelschwarm vorstellen,

or when I think of a flock of starlings,

that feels like a really different kind of intelligence.

scheint das eine ganz andere Art von Intelligenz zu sein.

For starters, any one fish is just so tiny

Zum einen ist jeder einzelne Fisch winzig

compared to the sheer size of the collective,

im Vergleich zu der unglaublichen Größe des Kollektivs.

so it seems that any one individual

Jedes Individuum scheint nur

would have a really limited and myopic view of what's going on,

eine sehr begrenzte Sicht auf das Gesamtgeschehen zu haben.

and intelligence isn't really about the individual

Intelligenz ist weniger eine individuelle Leistung

but somehow a property of the group itself.

als eine Eigenschaft der Gruppe in ihrer Gesamtheit.

Secondly, and the thing that I still find most remarkable,

Zweitens, und das ist wirklich bemerkenswert,

is that we know that there are no leaders supervising this fish school.

haben Fischschwärme keine zentrale Steuerung oder Kontrollinstanzen.

Instead, this incredible collective mind behavior

Stattdessen resultiert das unglaubliche Kollektivverhalten

is emerging purely from the interactions of one fish and another.

ausschließlich aus den Interaktionen der einzelnen Fische untereinander.

Somehow, there are these interactions or rules of engagement

Es sind diese Interaktionen oder Verhaltensalgorithmen

between neighboring fish

zwischen benachbarten Fischen,

that make it all work out.

die zum Erfolg führen.

So the question for AI then becomes,

Also stellt sich im Bereich KI die Frage:

what are those rules of engagement that lead to this kind of intelligence,

Welche Verhaltensalgorithmen führen zu dieser Art von Intelligenz

and of course, can we create our own?

und können wir sie selbst erschaffen?

And that's the primary thing that I work on with my team in my lab.

Das ist das zentrale Forschungsthema meines Teams.

We work on it through theory,

Wir bearbeiten theoretische Modelle und untersuchen abstrakte Regelsysteme,

looking at abstract rule systems

and thinking about the mathematics behind it.

um die mathematischen Modelle dahinter zu verstehen.

We also do it through biology, working closely with experimentalists.

Wir arbeiten mit experimentellen Biologen zusammen.

But mostly, we do it through robotics,

Aber primär befassen wir uns mit Robotik.

where we try to create our own collective systems

Wir entwickeln unsere eigenen kollektiven Systeme,

that can do the kinds of things that we see in nature,

um das Schwarmverhalten der Natur nachzubilden --

or at least try to.

zumindest versuchen wir es.

One of our first robotic quests along this line

Eine unserer ersten Aufgabenstellungen

was to create our very own colony of a thousand robots.

war die Erschaffung unserer eigenen Kolonie von tausend Robotern.

So very simple robots,

Es waren zwar sehr einfache Roboter, aber wir schafften es,

but they could be programmed to exhibit collective intelligence,

ihnen kollektive Intelligenz einzuprogrammieren.

and that's what we were able to do.

So sieht ein einzelner Roboter aus:

So this is what a single robot looks like.

ziemlich klein, etwa die Größe eines Vierteldollars.

It's quite small, about the size of a quarter,

and you can program how it moves,

Seine Bewegung kann programmiert werden,

but it can also wirelessly communicate with other robots,

aber er kann auch drahtlos mit anderen Robotern kommunizieren

and it can measure distances from them.

und Abstände zu ihnen abmessen.

And so now we can start to program exactly an interaction,

Nun können wir eine genaue Interaktion, also einen Verhaltensalgorithmus

a rule of engagement between neighbors.

zwischen Nachbarn programmieren.

And once we have this system,

Auf Basis dieses Modells können wir

we can start to program many different kinds of rules of engagement

zahlreiche Algorithmen programmieren,

that you would see in nature.

wie es sie auch in der Natur gibt.

So for example, spontaneous synchronization,

Ein Beispiel ist die spontane Synchronisation,

how audiences are clapping and suddenly start all clapping together,

bei der plötzlich das gesamte Publikum klatscht,

the fireflies flashing together.

oder Glühwürmchen, die gleichzeitig aufleuchten.

We can program rules for pattern formation,

Wir können Algorithmen zur Musterbildung programmieren,

how cells in a tissue

wie Gewebezellen ihre Rolle festlegen

determine what role they're going to take on

and set the patterns of our bodies.

und die Struktur unseres Körpers bestimmen.

We can program rules for migration,

Wir können Bewegungsalgorithmen festlegen

and in this way, we're really learning from nature's rules.

und auch hier von der Natur lernen.

But we can also take it a step further.

Wir können noch einen Schritt weiter gehen,

We can actually take these rules that we've learned from nature

indem wir diese Algorithmen verbinden

and combine them and create entirely new collective behaviors

und dadurch völlig neue kollektive Verhaltensweisen erschaffen.

of our very own.

So for example,

Stellen Sie sich vor,

imagine that you had two different kinds of rules.

Sie haben zwei verschiedene Algorithmen:

So your first rule is a motion rule

erstens einen Bewegungsalgorithmus,

where a moving robot can move around other stationary robots.

durch den ein Roboter sich um andere Roboter herum bewegt.

And your second rule is a pattern rule

Zweitens einen Verhaltensalgorithmus,

where a robot takes on a color based on its two nearest neighbors.

durch den ein Roboter die Farbe seiner Nachbarn annimmt.

So if I start with a blob of robots in a little pattern seed,

In einer kleinen Versuchsanordnung

it turns out that these two rules are sufficient for the group

reichen diese beiden Regeln aus, damit die Roboter selbständig

to be able to self-assemble a simple line pattern.

ein einfaches Linienmuster erschaffen können.

And if I have more complicated pattern rules,

Durch kompliziertere Algorithmen

and I design error correction rules,

und den Einsatz von Fehlerkorrektur-Codes

we can actually create really, really complicated self assemblies,

können so äußerst komplexe autonome Einheiten entstehen.

and here's what that looks like.

Und diese sehen so aus.

So here, you're going to see a thousand robots

Hier sehen Sie Tausende von Robotern,

that are working together to self-assemble the letter K.

die gemeinsam den Buchstaben K formen.

The K is on its side.

Das K liegt auf der Seite.

And the important thing is that no one is in charge.

Das Bemerkenswerte ist, es gibt keine zentrale Steuerung.

So any single robot is only talking to a small number of robots nearby it,

Jeder einzelne Roboter kommuniziert nur mit wenigen benachbarten Robotern

and it's using its motion rule to move around the half-built structure

und nutzt seine Bewegungsregel innerhalb des halbfertigen Aufbaus,

just looking for a place to fit in based on its pattern rules.

um basierend auf seinen Musterregeln den passenden Platz zu finden.

And even though no robot is doing anything perfectly,

Obwohl kein Roboter fehlerlos agiert,

the rules are such that we can get the collective to do its goal

erreicht die Gemeinschaft von Einzelkomponenten

robustly together.

durch die Regeln ihr Ziel.

And the illusion becomes almost so perfect, you know --

Die Illusion ist so perfekt,

you just start to not even notice that they're individual robots at all,

dass man gar nicht mehr die einzelnen Roboter wahrnimmt,

and it becomes a single entity,

sondern nur die gesamte Einheit,

kind of like the school of fish.

ganz ähnlich einem Fischschwarm.

So these are robots and rules in two dimensions,

Diese Roboter und Algorithmen sind zweidimensional;

but we can also think about robots and rules in three dimensions.

wir können aber auch dreidimensionale Roboter und Regeln erwägen.

So what if we could create robots that could build together?

Können wir Roboter erschaffen, die gemeinsam etwas aufbauen?

And here, we can take inspiration from social insects.

Die Inspiration dazu kommt aus dem Insektenreich.

So if you think about mound-building termites

Denken Sie an Hügel bildende Termiten

or you think about army ants,

oder an Wanderameisen,

they create incredible, complex nest structures out of mud

die unglaublich komplexe Nester aus Erde

and even out of their own bodies.

und sogar aus ihren eigenen Körpern bauen.

And like the system I showed you before,

Ähnlich der vorherigen Versuchsanordnung

these insects actually also have pattern rules

verfügen diese Insekten über Algorithmen,

that help them determine what to build,

die bestimmen, was gebaut wird,

but the pattern can be made out of other insects,

und zwar entweder aus den Insektenkörpern selbst

or it could be made out of mud.

oder auch aus Schlamm.

And we can use that same idea to create rules for robots.

Auf Basis dieses Modells erstellen wir Algorithmen für Roboter.

So here, you're going to see some simulated robots.

Hier sehen Sie simulierte Roboter.

So the simulated robot has a motion rule,

Wir nutzen einen Bewegungsalgorithmus zur Fortbewegung innerhalb der Struktur,

which is how it traverses through the structure,

um einen Platz zu finden, in den sie hineinpassen.

looking for a place to fit in,

and it has pattern rules where it looks at groups of blocks

Verhaltensalgorithmen entscheiden darüber,

to decide whether to place a block.

ob sie einen Block absetzen.

And with the right motion rules and the right pattern rules,

Mit den richtigen Bewegungs- und Verhaltensalgorithmen

we can actually get the robots to build whatever we want.

können die Roboter alles Mögliche bauen.

And of course, everybody wants their own tower.

Wer möchte nicht seinen eigenen Turm haben?

(Laughter)

(Lachen)

So once we have these rules,

Sobald die Algorithmen erstellt sind, können wir entsprechende Roboter bauen,

we can start to create the robot bodies that go with these rules.

So here, you see a robot that can climb over blocks,

etwa einen Roboter, der Blöcke überwinden kann.

but it can also lift and move these blocks

Er kann diese Blöcke auch anheben, bewegen

and it can start to edit the very structure that it's on.

und sogar die Gesamtstruktur verändern.

But with these rules,

Das ist nur eine Möglichkeit des physischen Aufbaus von Robotern.

this is really only one kind of robot body that you could imagine.

You could imagine many different kinds of robot bodies.

Es kann viele weitere Arten von Robotern geben.

So if you think about robots that maybe could move sandbags

So können Roboter zum Beispiel Sandsäcke bewegen

and could help build levees,

und beim Bau von Dämmen eingesetzt werden.

or we could think of robots that built out of soft materials

Roboterverbände aus formbaren Materialien

and worked together to shore up a collapsed building --

könnten ein eingestürztes Gebäude stabilisieren.

so just the same kind of rules in different kinds of bodies.

Es sind die gleichen Algorithmen, nur andere Arten von Robotern.

Or if, like my group, you are completely obsessed with army ants,

Wenn Sie wie ich und mein Team fasziniert von Wanderameisen sind,

then maybe one day we can make robots that can climb over literally anything

denken Sie vielleicht an Roboter, die über Hindernisse klettern können,

including other members of their tribe,

sogar über andere Mitglieder ihrer Gruppe,

and self-assemble things out of their own bodies.

und aus ihren eigenen Körpern Bauten formen können.

Once you understand the rules,

Sobald man das Prinzip versteht,

just many different kinds of robot visions become possible.

ergeben sich daraus zahlreiche Möglichkeiten.

And coming back to the snorkeling trip,

Um auf meinen Tauchausflug zurückzukommen:

we actually understand a great deal about the rules that fish schools use.

Wir verstehen viel von den Regeln, denen Fischschwärme folgen.

So if we can invent the bodies to go with that,

Wenn wir also die passenden Roboter entwickeln können,

then maybe there is a future

schwimmen mein Team und ich vielleicht eines Tages

where I and my group will get to snorkel with a fish school of our own creation.

durch einem von uns erschaffenen Fischschwarm.

Each of these systems that I showed you

Jedes der vorgestellten Modelle

brings us closer to having the mathematical and the conceptual tools

bringt uns näher an die mathematischen und konzeptionellen Werkzeuge heran,

to create our own versions of collective power,

mit denen wir unsere eigenen Versionen kollektiver Intelligenz entwickeln.

and this can enable many different kinds of future applications,

Das bringt vielfältige Einsatzmöglichkeiten mit sich.

whether you think about robots that build flood barriers

Denken Sie etwa an Roboter, die Flutdämme errichten

or you think about robotic bee colonies that could pollinate crops

oder als Bienenkolonien Nutzpflanzen bestäuben.

or underwater schools of robots that monitor coral reefs,

Denken Sie an Roboterschwärme, die unter Wasser Korallenriffe überwachen.

or if we reach for the stars and we thinking about programming

Wir können auch noch viel weiter gehen

und an die Programmierung von Satellitenkonstellationen denken.

constellations of satellites.

In each of these systems,

Der Schlüssel zur Realisierung jeder dieser Visionen

being able to understand how to design the rules of engagement

ist das Verständnis dafür,

and being able to create good collective behavior

wie diese Algorithmen und das gewünschte kollektive Verhalten zu konzipieren sind.

becomes a key to realizing these visions.

So, so far I've talked about rules for insects and for fish

Ich habe über Algorithmen in Bezug auf Insekten,

Fische und Roboter gesprochen.

and for robots,

Was aber ist mit den Algorithmen für uns Menschen als Gesellschaft?

but what about the rules that apply to our own human collective?

And the last thought that I'd like to leave you with

Ich möchte Ihnen den Gedanken mit auf den Weg geben,

is that science is of course itself

dass die Wissenschaft selbst

an incredible manifestation of collective intelligence,

ein unglaublicher Ausdruck kollektiver Intelligenz ist.

but unlike the beautiful fish schools that I study,

Im Gegensatz zu den wunderschönen Fischschwärmen, die ich erforsche,

I feel we still have a much longer evolutionary path to walk.

haben wir aber noch einen weiten, evolutionären Weg vor uns.

So in addition to working on improving the science of robot collectives,

Neben meiner Forschung im Bereich der Roboterschwärme

I also work on creating robots and thinking about rules

arbeite ich auch an Robotern und Algorithmen,

that will improve our own scientific collective.

die unsere wissenschaftliche Gemeinschaft bereichern sollen.

There's this saying that I love:

Ich liebe das Sprichwort:

who does science determines what science gets done.

"Was Wissenschaft zu leisten vermag, bemisst sich am Wissenschaftler selbst."

Imagine a society

Stellen Sie sich eine Gesellschaft mit Verhaltensregeln vor,

where we had rules of engagement

where every child grew up believing that they could stand here

in der jedes Kind in der Gewissheit aufwächst,

and be a technologist of the future,

ein Zukunftsforscher sein zu können,

or where every adult

und in der jeder Erwachsene daran glauben würde,

believed that they had the ability not just to understand but to change

die Auswirkungen von Wissenschaft und Technologie auf unseren Alltag

how science and technology impacts their everyday lives.

nicht nur zur verstehen, sondern auch ändern zu können.

What would that society look like?

Wie würde diese Gesellschaft aussehen?

I believe that we can do that.

Ich glaube, das ist machbar.

I believe that we can choose our rules,

Wir können unsere Regeln wählen

and we engineer not just robots

und nicht nur Roboter erschaffen,

but we can engineer our own human collective,

sondern unsere eigene menschliche Gesellschaft.

and if we do and when we do, it will be beautiful.

Und wenn es soweit ist, wird diese Gesellschaft großartig sein.

Thank you.

Vielen Dank.

(Applause)

(Applaus)