Πώς ο αλγόριθμος μαθαίνει από τον χορό των ψαριών
Ο τρόπος που η τεχνητή νοημοσύνη και οι εφαρμογές της στα drones χρησιμοποιούν ως πρότυπο τη φύση
Προωθούμε τον συνδυασμό μαθηματικών και υπολογιστικών μεθόδων με την τεχνητή νοημοσύνη για να κάνουμε προσομοίωση και βελτιστοποίηση σε μια σειρά συστημάτων, από πρόγνωση του καιρού μέχρι μοντέλα για τις πυρκαγιές και τις τυρβώδεις ροές σε αεροπλάνα και πλοία. Χρόνια τώρα, προσπαθούμε να λύσουμε αυτά τα προβλήματα χρησιμοποιώντας μόνο υπολογιστικές μεθόδους. Τώρα, καθώς οι υπολογιστές έχουν γίνει πολύ πιο γρήγοροι, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε και μια σειρά εργαλείων από την Τ.Ν.
H θάλασσα, τα πλοία που τη διασχίζουν και τα ψάρια που κολυμπούν στα νερά της εντυπωσίαζαν από παιδί τον Πέτρο Κουμουτσάκο, όταν βουτούσε στα καθαρά νερά στις παραλίες του Γυθείου. Ο ταρσανάς του μπαρμπα-Αλέξη στο Μαραθονήσι ήταν η έμπνευσή του για τις σπουδές ναυπηγικής· ο τρόπος που τα ψάρια γλιστρούσαν στο νερό και δημιουργούσαν κοπάδια τον γοήτευε, αλλά του γεννούσε και ερωτήματα. Σήμερα, πάνω από 50 χρόνια μετά, η παρατήρηση της κίνησης των ψαριών και η προσομοίωσή τους με υπερυπολογιστές και τεχνητή νοημοσύνη βοηθούν τον πρόεδρο του Τμήματος Εφαρμοσμένων Μαθηματικών του Χάρβαρντ και την ομάδα του να δώσουν πρωτότυπες απαντήσεις. Παράλληλα, αποκαλύπτουν νέες προηγμένες υπολογιστικές μεθόδους για άλλα πεδία της επιστήμης, συνδυάζοντας την τεχνητή νοημοσύνη, τα μαθηματικά και την παρατήρηση της φύσης.
«Τα κοπάδια των ψαριών, όπως και τα σμήνη των πουλιών, είναι από τα πιο συναρπαστικά φαινόμενα περίπλοκης συμπεριφοράς στη φύση. Είναι πολύ δύσκολο να προσομοιώσει κανείς την υδροδυναμική σε ένα μεγάλο κοπάδι ψαριών. Δεν το είχε καταφέρει κανείς πριν από εμάς. Η προσομοίωση έφτανε τα ένα με δύο ψάρια, εμείς έχουμε φτάσει τα 500», λέει στην «Κ» ο κ. Κουμουτσάκος.
Τι αναζητούν στην κίνηση των ψαριών; «Πρώτα απ' όλα γιατί το κάνουν. Μήπως κολυμπώντας πολλά μαζί έχουν ενεργειακό όφελος; Βρίσκουν πιο εύκολα τροφή ή προστατεύονται; Η κατανόηση τού πως προκύπτει το ενεργειακό όφελος μπορεί να μας βοηθήσει στον σχεδιασμό ανεμογεννητριών, στο πώς θα τοποθετηθούν κ.λπ. Μια άλλη εφαρμογή μπορεί να αφορά μεγάλες ομάδες από υποβρύχια drones. Οταν ταξιδεύουν μαζί αλληλεπιδρούν υδροδυναμικά. Οταν καλύπτουν μεγάλες αποστάσεις, η ενέργεια που χρειάζονται είναι σημαντική. “Λύσεις” που έχουν αναπτυχθεί στη φύση, όπως τα κοπάδια των ψαριών, μπορεί να μας δώσουν χρήσιμες πληροφορίες και ιδέες», συμπληρώνει ο καθηγητής του Χάρβαρντ.
Η κίνηση ενός κοπαδιού ψαριών έχει ομοιότητες με την πτήση ενός κοπαδιού πουλιών, κυρίως όσον αφορά το πώς αξιοποιεί κάθε πτηνό την τύρβη που δημιουργούν τα άλλα, που πετούν μπροστά ή δίπλα του, εξηγεί ο κ. Κουμουτσάκος. «Υπάρχουν πολλές εφαρμογές. Πρόσφατα είχαμε ένα project από την Ελβετία για να μελετήσουμε πώς τα ταχυδρομεία της χώρας θα μεταφέρουν τα πακέτα με drones. Καθώς πολλά drones θα πετούν ανάμεσα στα κτίρια, που δημιουργούν στροβίλους, πρέπει να μάθουμε πώς θα κινούνται στον αέρα χωρίς να δαπανούν πολλή ενέργεια, χωρίς να ανατρέπονται».
Ο Πέτρος Κουμουτσάκος τελείωσε γυμνάσιο και λύκειο στο Γύθειο («έχω υπέροχες αναμνήσεις,
οι δάσκαλοι μας έμαθαν να σκεπτόμαστε»). Σπούδασε ναυπηγός στο ΕΜΠ («πιο εξειδικευμένα εκεί, αλλά και πάλι μας έδωσαν γερές βάσεις»), έκανε διπλωματική στην υδροδυναμική, ενώ στη συνέχεια στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν πήρε μάστερ στη ναυπηγική. Στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καλιφόρνιας έλαβε διδακτορικό στην αεροναυπηγική και στα εφαρμοσμένα μαθηματικά. Εκανε μεταδιδακτορικό στο Στάνφορντ, όπου άρχισε να ασχολείται με την τεχνητή νοημοσύνη. Από το 1997 μέχρι 2021 ήταν στο Πολυτεχνείο της Ζυρίχης, κατέχοντας την έδρα υπολογιστικής επιστήμης, για να βρεθεί τα τρία τελευταία χρόνια στο Χάρβαρντ ως καθηγητής και παράλληλα ως πρόεδρος του Τμήματος Εφαρμοσμένων Μαθηματικών. Ταυτόχρονα, υπήρξε ένας από τους ιδρυτές και πρόεδρος του Ελληνικού Ινστιτούτου Προηγμένων Σπουδών (Hellenic Institute of Advanced Studies - HIAS), το οποίο στοχεύει στην αλληλεπίδραση και συνεργασία των Ελλήνων επιστημόνων της διασποράς με τους συναδέλφους τους στην Ελλάδα. Επίσης, είναι μέλος στο Εθνικό Συμβούλιο Ερευνας, Τεχνολογίας και Καινοτομίας (ΕΣΕΤΕΚ).
Πρόγνωση καιρού
Με τι ασχολείται σήμερα; «Προωθούμε τον συνδυασμό μαθηματικών και υπολογιστικών μεθόδων με την τεχνητή νοημοσύνη (ΑΙ) για να κάνουμε προσομοίωση και βελτιστοποίηση σε μια σειρά συστημάτων, από πρόγνωση του καιρού και του κλίματος μέχρι μοντέλα για τις πυρκαγιές και τις τυρβώδεις ροές σε αεροπλάνα και πλοία. Χρόνια τώρα, προσπαθούμε να λύσουμε αυτά τα προβλήματα χρησιμοποιώντας μόνο υπολογιστικές μεθόδους. Τώρα, καθώς οι υπολογιστές έχουν γίνει πολύ πιο γρήγοροι, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε και μια σειρά εργαλείων από την Τ.Ν.», λέει ο κ. Κουμουτσάκος.
Τι διαφορετικό φέρνουν οι νέες μέθοδοι; «Η τεχνητή νοημοσύνη φέρνει καινούργιες δυνατότητες επεξεργασίας δεδομένων και αυτοματοποίησης στη δημιουργία μοντέλων. Τα καινούργια μοντέλα είναι
πολύ πιο γρήγορα, ενώ δίνουν κι ένα μέγεθος της αβεβαιότητας των προγνώσεών τους. Για παράδειγμα, μπορείς να δώσεις πληροφορίες σε γιατρούς, για το πώς να κάνεις ραδιοθεραπείες για έναν καρκινικό όγκο στον εγκέφαλο. Παράλληλα, τα ίδια εργαλεία, με μικρές αλλαγές, μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην πρόβλεψη για την πορεία μιας πυρκαγιάς, αλλά και το ποσοστό βεβαιότητας ότι θα κινηθεί προς τα εκεί. Κι αυτό είναι πολύ σημαντικό γι' αυτούς που αποφασίζουν πόσους και τι πόρους θα διαθέσουν για να τη σβήσουν».
Οπως σημειώνει ο κ. Κουμουτσάκος, τα νέα μοντέλα είναι δυναμικά, δηλαδή ενσωματώνοντας δεδομένα από την εξέλιξη ενός φαινομένου, «μπορείς να δεις τι πρέπει να κάνεις άμεσα σε μια φωτιά ή σε έναν όγκο που έχει εμφανισθεί, πριν επεκταθούν πολύ». Βεβαίως, τα νέα μοντέλα αναβαθμίζουν και τις προβλέψεις για το πού είναι πιο επικίνδυνο να εκδηλωθεί φωτιά και ποια θα είναι η πορεία της, συνυπολογίζοντας δεδομένα για τη γεωγραφία και το ανάγλυφο του τοπίου, την πυκνότητα και το είδος της βλάστησης, τα καιρικά φαινόμενα κ.ά.
Η ερευνητική ομάδα στο Χάρβαρντ με τον κ. Κουμουτσάκο δουλεύει σε μεθόδους που είναι καθολικής χρήσης. «Βρίσκουμε κοινές μεθόδους, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ευρεία γκάμα. Από ιατρική μέχρι χημεία, από μετεωρολογικά μοντέλα μέχρι καινούργια υλικά, κατασκευές. Για παράδειγμα, κοιτάμε για το πώς μεγαλώνουν τα γλοιώματα στον εγκέφαλο. Είναι σημαντικό για τους γιατρούς, γιατί δεν είναι εύκολο να έχουν εικόνα για όλα. Εμείς τους βοηθάμε στο πού να ψάξουν, ποια μπορεί να είναι η εξέλιξη, πιθανά σενάρια, με βάση τη στατιστική».
Οπως επισημαίνει ο καθηγητής του Χάρβαρντ, όλα αυτά στηρίζονται στην εκρηκτική άνοδο της δυναμικότητας των υπολογιστών. «Το 1997, όταν ξεκίνησα να ασχολούμαι με νευρωνικά δίκτυα, ο καλύτερος υπολογιστής για να λύσει ένα συγκεκριμένο πρόβλημα ήθελε έναν ολόκληρο χρόνο. Σήμερα μπορείς να το κάνεις σε ένα με δύο λεπτά! Είναι τρομερή η διαφορά. Ιδέες υπήρχαν από τότε, αλλά δεν ασχολούνταν οι επιστήμονες γιατί ο χρόνος που απαιτούνταν ήταν απαγορευτικός. Η διάδοση των υπερυπολογιστών έχει κάνει τη διαφορά και επιτρέπει αυτή τη συναρπαστική εξέλιξη νέων ιδεών».
Ο εκδημοκρατισμός
Ο κ. Κουμουτσάκος αναφέρεται και σε μια διαδικασία εκδημοκρατισμού. Ενας υπερυπολογιστής παλιά κόστιζε πολλά εκατομμύρια, σήμερα ακόμη κι ένα λάπτοπ έχει γραφικές κάρτες πολύ πιο δυνατές από τους υπερυπολογιστές πριν από 5-10 χρόνια. «Αυτό σημαίνει πως πολύς κόσμος μπορεί να τρέξει τα μοντέλα, αρκεί να ξέρει, βέβαια, να χρησιμοποιεί τους υπολογιστές. Αλλο να οδηγώ εγώ τη F1 και άλλο ο Χάμιλτον»...
Βεβαίως, υπάρχει και μια πλευρά που παραμένει αθέατη: το ενεργειακό κόστος της διάδοσης των υπολογιστών. Υπολογίζεται πως περίπου το 10% της συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης οφείλεται στους υπολογιστές. «Ολα αυτά τα συστήματα χρησιμοποιούν ηλεκτρισμό, παράγουν και CO2, η ψύξη τους απαιτεί ηλεκτρική
ενέργεια. Εχει υπολογιστεί πως η ρύπανση από τα data centers στη Γερμανία είναι μεγαλύτερη από τις αερομεταφορές. Υπάρχει όμως πρόοδος, βρίσκουν καινούργιους τρόπους για να τα ψύξουν, αλλά υπάρχει δρόμος ακόμη».
«Είναι ακόμη νωρίς»
Τελικά, τι είναι η τεχνητή νοημοσύνη, μαγική λύση ή απειλή; «Στο επιστημονικό κομμάτι είναι συναρπαστικό αυτό που γίνεται, αλλά ίσως είναι ακόμη νωρίς να δούμε ποια θα είναι η ουσιαστική εξέλιξη. Είναι τρομερά ενδιαφέρον να δεις τι μπορεί να κάνει η ανθρώπινη σκέψη, μια και πιο πριν ήταν απλώς αδύνατο να σκεφτεί κανείς με αυτό τον τρόπο, με τα μεγάλα δεδομένα, τα large language model, τη στατιστική κ.λπ. Να μπορείς να δεις όλη τη γνώση που υπάρχει, να μπορείς να τη χρησιμοποιήσεις, να την ψάξεις», απαντά ο πρόεδρος του Τμήματος Εφαρμοσμένων Μαθηματικών του Χάρβαρντ.
Οπως εξηγεί, σήμερα αναπτύσσεται η προσπάθεια στους τομείς της αυτοματοποίησης και της τεχνητής νοημοσύνης «να δημιουργηθούν συστήματα που να καταλαβαίνουμε τι κάνουμε, να μην είναι ένα μαύρο κουτί. Μπαίνουν ιδέες όπως αιτιότητα, λογική, γι' αυτό είναι πολύ σημαντικό να συνευρεθούν οι θετικές με τις κοινωνικές επιστήμες. Και αυτό είναι κάτι που μ' αρέσει πολύ στο Χάρβαρντ, όταν το συγκρίνω με τα ιδρύματα που ήμουν πριν. Το Χάρβαρντ έχει πολύ δυνατές κοινωνικές επιστήμες, και αυτό είναι μια τρομερή ευκαιρία για τις θετικές επιστήμες, για να ξαναενωθούν αυτοί οι δύο τομείς. Αντίστοιχα, και στην Ελλάδα έχουμε μακριά παράδοση κοινωνικών επιστημών και είναι μια ευκαιρία να ηγηθούμε σε αυτές τις κατευθύνσεις στην έρευνα».
Τι μπορεί να σημαίνει για την Ελλάδα; «Η προσπάθεια του HIAS είναι να προσφέρουμε στην Ελλάδα τεχνογνωσία που υπάρχει στους Ελληνες της διασποράς. Στην τεχνητή νοημοσύνη, για παράδειγμα, υπάρχουν στο εξωτερικό τρανταχτά ονόματα επιστημόνων ελληνικής καταγωγής, που στην Ελλάδα δεν ακούγονται. Δεν ξέρω εάν τους μιλάει κανείς εδώ. Ολοι αυτοί, βέβαια, όπως κι εγώ, έχουμε συνηθίσει να λύνουμε προβλήματα του εξωτερικού. Στην Ελλάδα υπάρχουν επιστήμονες εξαιρετικοί επίσης, που είναι διεθνούς επιπέδου και γνωρίζουν καλύτερα τις παραμέτρους των προβλημάτων στην Ελλάδα. Γι' αυτό προσπαθούμε να δημιουργήσουμε γέφυρες επικοινωνίας και τεχνογνωσίας. Χωρίς τους ανθρώπους στην Ελλάδα δεν μπορεί να απαντηθούν τα προβλήματα. Το βασικό είναι η συνεργασία. Στόχος του HIAS είναι να βοηθήσουμε τη βασική έρευνα, απ' όπου κάποιος μπορεί να πάρει ιδέες. Η βασική έρευνα είναι το καύσιμο για την καινοτομία. Η Ελλάδα είναι μικρή χώρα, αλλά προσωπικά πιστεύω πως υπάρχουν τρομερές δυνατότητες όταν οι Ελληνες ανά τον κόσμο δουλεύουμε μαζί».
Στην τεχνητή νοημοσύνη, υπάρχουν στο εξωτερικό τρανταχτά ονόματα επιστημόνων ελληνικής καταγωγής, που στην Ελλάδα δεν ακούγονται. Δεν ξέρω εάν τους μιλάει κανείς εδώ. Ολοι αυτοί βέβαια, όπως κι εγώ, έχουμε συνηθίσει να λύνουμε προβλήματα του εξωτερικού. Στην Ελλάδα, υπάρχουν επιστήμονες εξαιρετικοί επίσης. Γι’ αυτό προσπαθούμε να δημιουργήσουμε γέφυρες επικοινωνίας και τεχνογνωσίας. Χωρίς τους ανθρώπους στην Ελλάδα δεν μπορεί να απαντηθούν τα προβλήματα.