Wetenschappelijk onderzoek door robots

Wetenschap vereist het IQ van een Einstein, geloven veel mensen. In de praktijk is wetenschap vooral veel zwaar routinewerk. Daarom wordt steeds meer wetenschappelijk onderzoek door robots verricht. Zelfstandig.

Empirische cyclus

Adriaan de Groot was een Nederlandse onderzoeker. De Groot was actief in de psychologie. Die was in de jaren vijftig nog weinig formeel. Hij stelde toen de volgende elementen van de empirische cyclus op. Dit eerst voor toepassing in zijn eigen vak [1].

  1. observatie: het waarnemen en verzamelen van empirische feiten
  2. inductie: het formuleren van een algemene veronderstelling op basis van observaties. Van specifiek naar algemeen. Korton: een vorm van patroon herkenning.
  3. deductie: formuleren van specifieke toetsbare hypotheses. Van algemeen naar specifiek (van theorie naar hypothese). Bijvoorbeeld: de mate van verval van radioactieve deeltjes wordt beïnvloed door het jaargetijde.
  4. toetsen: het toetsen van de hypothese door middel van een experiment. Bij de toetsing in engere zin wordt meestal gebruik gemaakt van de statistische toets. In agrarisch onderzoek wordt bijvoorbeeld de ANOVA-analyse veel gebruikt. Welke statistische toets je kiest, hangt af van het systeem waarmee je werkt. Voor proefveldjes aardappels is ANOVA variantieanalyse erg handig omdat je daarmee meerdere factoren, bijvoorbeeld bemesting en belichting tegelijkertijd kan onderzoeken. Voor risicoanalyse van de kans op extreme gebeurtenissen is dit minder geschikt. Dan heb je weer meer aan een op de Gumbelverdeling gebaseerde statistische toets.
  5. evaluatie: de resultaten van het experiment waarnemen en evalueren door middel van falsificatie of verificatie. Statistisch gesproken wordt uitgegaan van een nulhypothese H0. De onderzoeker toetst deze H0 met een proef. Uit H0 leid je een bepaalde voorspelling af. Wijken de resultaten te sterk af van H0, dan is deze verworpen. Een hypothese kan dus strikt genomen nooit bewezen worden. Hij kan slechts verworpen worden. De laatste jaren wordt de Bayesiaanse benadering van statistiek populairder. Daarin zijn er twee concurrerende hypotheses en ‘wint’ de meest waarschijnlijke hypothese.

Wetenschappelijke methode

De empirische cyclus is een onderdeel van de wetenschappelijke methode. Is er een bepaalde nulhypothese getest? Dan komen de aanvullende proeven aan de beurt. Bijvoorbeeld om de hypothese te verbeteren of nauwkeuriger te maken. Of om een alternatieve hypothese te onderzoeken.

Ook moet het onderzoek repliceerbaar zijn. Dat wil zeggen: andere onderzoeksgroepen behalen dezelfde resultaten als jij. Als zij het experiment, zoals beschreven in het artikel, exact herhalen, uiteraard. Overleeft je onderzoek deze toetsen? Gefeliciteerd, trek dan een fles champagne open. Je theorie is nu onderdeel van de gevestigde wetenschap. Tot er een betere theorie komt. Het leven van wetenschappelijke theorieën is hard, kort en wreed. Wat dat betreft gaat pseudowetenschap langer mee. Homeopathie bestaat al langer dan een eeuw. Om een goed voorbeeld te noemen.

Wetenschappelijk onderzoek door robots

Computers worden steeds krachtiger. Wetenschappers gebruiken ze al langer om statistische analyses uit te voeren op data. Of denk aan sensors, webcams en weerstations. Zij sturen een stroom van data naar de rest van de wereld.

Nu, met de opkomst van machine learning, worden ze ook gebruik worden om patronen te herkennen in data. Met andere woorden: observatie en inductie worden ook al geautomatiseerd.

Rheologie (vloeistofdynamica) is een berucht lastig vakgebied. Het berekenen van een laminaire stroming in een buis lukt nog wel. Maar chaotische processen maken het moeilijk om generieke verbanden te vinden, in situaties die ingewikkelder zijn dan die buis. Of bij turbulente stroming. Kortom: om vooruitgang te boeken, moet je maandenlang of meer zwoegen in labs. De reden dat het vakgebied minder populair is geworden bij subsidieverstrekkers.

Wetenschappelijk onderzoek door robots neemt een steeds grotere vlucht. De Britse universiteit van Cambridge ontwikkelde robot Eve om medicijnen te onderzoeken. Bron: Cambridge University

Intelligent Towing Tank

Met andere woorden: typisch een taak waarop je een robot aan het werk wilt zetten. Dit is precies wat Dixia Fan en de collega’s van haar werkgroep van de Massachusetts Institute of Technology te Boston hebben gedaan. [2] Haar “Intelligent Towing Tank” is in staat om razendsnel experimenten te doen. In meer dan 100.000 experimenten in enkele weken [3] werden parameters als het Reynolds getal gevarieerd om te bepalen wat het effect is op vibraties in vaste voorwerpen in contact met stromende vloeistoffen. Dit zou met de hand meer dan vijf jaar werk hebben gekost. [3]

Wetenschappelijk onderzoek door robots redt levens

De “Intelligent Towing Tank” is niet uniek. Robotwetenschappers voeren dag en nacht duizenden experimenten uit. Dit in uiteenlopende vakgebieden als farmacologie, rheologie en vaste-stoffysica. Ze verkennen hiermee de parametrische ruimtes. Op een hoger, conceptueel, niveau kunnen menselijke wetenschappers patronen afleiden en nieuwe onderzoeksvragen stellen voor vervolgonderzoek. Zo is de universiteit van Cambridge nu bezig met het toepassen van robots om duizenden moleculen te onderzoeken op farmacologische werkzaamheid. [4] Erg interessant als je, zoals Cambridge deed, moleculen test op werkzaamheid tegen de malariaparasiet, Trypanosoma (slaapziekte) en de ziekte van Chagas. Door brute kracht kan je zo interessante moleculen voor nader onderzoek op het spoor komen. Dit had anders jarenlang werk in een laboratorium betekend. Vooral bij “vergeten” tropische ziekten redden robot-onderzoekers zo dus levens.

Bronnen
1. A. D. de Groot, Methodologie (1961)
2. D. Fan et al., A robotic Intelligent Towing Tank for learning complex fluid-structure dynamics, Science Robotics, 2019
3. Intelligent Towing Tank propels human-robot-computer research – A novel experimental facility integrates automation and active learning, illuminating a path to accelerated scientific discovery, MIT News, 2019
4. Artificially-intelligent Robot Scientist ‘Eve’ could boost search for new drugs, Cambridge University News, 2015

Laat een reactie achter

Dutch