Wackelt in Richtung Biografie

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Juncal Arbelaiz Mugica stammt aus Spanien, wo Tintenfisch ein häufiger Menüpunkt ist. Allerdings schätzt Arbelaiz Oktopus und ähnliche Lebewesen auf eine andere Art und Weise, mit ihrer Forschung zur Theorie der Soft-Robotik.

Mehr als die Hälfte der Nerven eines Oktopus sind über seine acht Arme verteilt, von denen jeder über ein gewisses Maß an Autonomie verfügt. Dieses verteilte Sensor- und Informationsverarbeitungssystem faszinierte Arbelaiz, der erforscht, wie man dezentrale Intelligenz für von Menschen geschaffene Systeme mit eingebetteter Sensorik und Berechnung entwerfen kann. Am MIT studiert Arbelaiz angewandte Mathematik und arbeitet in den letzten Wochen vor Abschluss ihrer Doktorarbeit im Herbst an den Grundlagen der optimalen verteilten Steuerung und Schätzung.

Sie lässt sich von der biologischen Intelligenz wirbelloser Tiere wie Oktopusse und Quallen inspirieren, mit dem ultimativen Ziel, neuartige Kontrollstrategien für flexible „weiche“ Roboter zu entwickeln, die in engen oder empfindlichen Umgebungen eingesetzt werden könnten, beispielsweise als chirurgisches Werkzeug oder für Such- und Suchvorgänge -Rettungsmissionen.

„Die Weichheit weicher Roboter ermöglicht es ihnen, sich dynamisch an verschiedene Umgebungen anzupassen. Denken Sie an Würmer, Schlangen oder Quallen und vergleichen Sie ihre Bewegungs- und Anpassungsfähigkeiten mit denen von Wirbeltieren“, sagt Arbelaiz. „Es ist ein interessanter Ausdruck verkörperter Intelligenz – das Fehlen eines starren Skeletts bietet Vorteile für bestimmte Anwendungen und hilft, mit Unsicherheiten in der realen Welt effizienter umzugehen.“ Diese zusätzliche Weichheit bringt aber auch neue systemtheoretische Herausforderungen mit sich.“

In der biologischen Welt wird der „Controller“ normalerweise mit dem Gehirn und dem Zentralnervensystem in Verbindung gebracht – er erzeugt motorische Befehle für die Muskeln, um Bewegungen auszuführen. Quallen und einigen anderen weichen Organismen fehlt ein zentrales Nervenzentrum oder Gehirn. Inspiriert von dieser Beobachtung arbeitet sie nun an einer Theorie, nach der Soft-Roboter-Systeme durch dezentralen sensorischen Informationsaustausch gesteuert werden könnten.

„Wenn die Erfassung und Betätigung im Körper des Roboters verteilt sind und die Rechenkapazitäten an Bord begrenzt sind, kann es schwierig sein, zentralisierte Intelligenz zu implementieren“, sagt sie. „Wir brauchen also solche dezentralen Systeme, die trotz der nur lokalen Weitergabe sensorischer Informationen das gewünschte globale Verhalten gewährleisten. Einige biologische Systeme, wie etwa die Qualle, sind schöne Beispiele für dezentrale Kontrollarchitekturen – Fortbewegung erfolgt ohne ein (zentrales) Gehirn. Das ist faszinierend im Vergleich zu dem, was wir mit von Menschen geschaffenen Maschinen erreichen können.“

Ein fließender Übergang zum MIT

Ihr Graduiertenstudium an der Universität Navarra in San Sebastian führte dazu, dass sie mit MIT-Professor John Bush im Bereich Fluiddynamik arbeitete. 2015 lud er Arbelaiz als Gaststudent ans MIT ein, um Tröpfchenwechselwirkungen zu untersuchen. Dies führte 2018 zu ihrer Veröffentlichung „Physical Review Fluids“ und zu ihrem Streben nach einem Doktortitel am MIT.

Im Jahr 2018 verlagerte sich ihre Doktorarbeit an das interdisziplinäre Sociotechnical System Research Center (SSRC) und wird nun von Ali Jadbabaie, dem JR East Professor für Ingenieurwissenschaften und Leiter der Abteilung für Bau- und Umweltingenieurwesen, beraten. und die stellvertretende Dekanin der School of Engineering, Anette „Peko“ Hosoi, die Neil und Jane Pappalardo-Professorin für Maschinenbau sowie Professorin für angewandte Mathematik ist. Arbelaiz arbeitet außerdem regelmäßig mit Bassam Bamieh zusammen, dem stellvertretenden Direktor des Center for Control, Dynamical Systems, and Computation an der University of California in Santa Barbara. Sie sagt, dass die Zusammenarbeit mit diesem Beraterteam ihr die Freiheit gibt, die multidisziplinären Forschungsprojekte zu erkunden, die sie in den letzten fünf Jahren fasziniert haben.

Zum Beispiel verwendet sie systemtheoretische Ansätze zum Entwurf neuartiger optimaler Regler und Schätzer für Systeme mit raumzeitlicher Dynamik und zum Gewinnen eines grundlegenden Verständnisses der sensorischen Feedback-Kommunikationstopologien, die zur optimalen Steuerung dieser Systeme erforderlich sind. Für die Soft-Roboter-Anwendungen läuft dies auf eine Rangfolge hinaus, welche sensorischen Messungen wichtig sind, um jeden der „Muskeln“ dieses Roboters am besten anzuregen. Hat sich die Leistung des Roboters verschlechtert, wenn jeder Aktor nur Zugriff auf die nächstgelegenen sensorischen Messungen hat? Ihre Forschung charakterisiert einen solchen Kompromiss zwischen Leistung, Unsicherheit und Komplexität im geschlossenen Regelkreis in räumlich verteilten Systemen.

„Ich bin entschlossen, die Lücke zwischen Maschinenautonomie, Systemtheorie und biologischer Intelligenz zu schließen“, sagt sie.

Nächstes Kapitel

Ein zweijähriges Schmidt-Wissenschaftsstipendium, das jungen Forschern die Möglichkeit gibt, ein Postdoktorandenstudium in einem anderen Bereich als ihrer Abschlussarbeit zu absolvieren, wird es Arbelaiz nach seinem Abschluss ermöglichen, die Schnittstelle zwischen biologischer und maschineller Intelligenz weiter zu erforschen.

Sie plant, ihre Postdoc-Zeit an der Princeton University bei Professor Naomi Leonard zu verbringen und mit Forschern aus den Bereichen Systembiologie, Informatik und Robotik zusammenzuarbeiten, um die Zuverlässigkeit und Robustheit biologischer und künstlicher Ensembles zu erforschen. Insbesondere möchte sie lernen, wie biologische Systeme sich effizient an unterschiedliche Umgebungen anpassen, damit sie dieses Wissen auf von Menschen geschaffene Systeme wie autonome Maschinen anwenden kann, deren Anfälligkeit gegenüber Lärm und Unsicherheit zu Sicherheitsproblemen führt.

„Ich sehe eine beispiellose Revolution bei autonomen und intelligenten Maschinen voraus, die durch eine fruchtbare Symbiose zwischen Systemtheorie, Berechnung und (Neuro-)Biologie ermöglicht wird“, sagt sie.

Ich zahle es vorwärts

Arbelaiz wuchs in Spanien auf und war sich des Privilegs bewusst, Zugang zu einer besseren Bildung zu haben als ihre Eltern. Ihr Vater erwarb einen Abschluss in Wirtschaftswissenschaften durch ein unabhängiges Studium und arbeitete gleichzeitig, um seine Familie zu ernähren. Seine Tochter hat seine Beharrlichkeit geerbt.

„Die Schwierigkeiten, die meine Eltern durchlebten, ließen sie Autodidaktismus, lebenslanges Lernen und kritisches Denken schätzen“, sagt sie. „Sie haben diese Werte an mich weitergegeben und so bin ich zu einem neugierigen und ausdauernden Menschen herangewachsen, der sich für die Wissenschaft begeistert und bereit ist, jede Bildungschance zu ergreifen.“

Um dies an andere weiterzugeben, betreut sie MINT-Studenten, denen es an Anleitung oder Ressourcen mangelt. „Ich bin fest davon überzeugt, dass wir Talente überall fördern sollten, und Mentoring könnte der Schlüsselfaktor sein, um unterrepräsentierte Minderheiten zu einer Karriere im MINT-Bereich zu ermutigen“, sagt sie.

Als Verfechterin von Frauen im MINT-Bereich war sie Mitglied des Vorstands von Graduate Women at MIT (GWAMIT) und MIT Women in Mathematics und nimmt an verschiedenen Panels und Workshops teil. Sie führt auch Live-Experimente für Kinder durch, beispielsweise bei den Girls Day-Veranstaltungen des MIT Museums.

„Als Wissenschaftler sind wir dafür verantwortlich, unser Wissen zu teilen, die Öffentlichkeit über wissenschaftliche Entdeckungen und ihre Auswirkungen zu informieren und das Bewusstsein für den Wert der Forschung und die Notwendigkeit, in sie zu investieren, zu schärfen.“

Arbelaiz unterstützt auch die Covid-19-Outreach-Bemühungen des MIT, einschließlich Vorträgen über die mathematische Modellierung des Virus und der Übersetzung der MIT Covid-19 Indoor Safety-App ihres ehemaligen Mentors John Bush ins Baskische.

Dieses Interesse, ihre MINT-Kenntnisse weiterzuentwickeln, verdankt sie ihrer MIT-Ausbildung.

„MIT war bisher eine der besten Erfahrungen meines Lebens: Es hat zu einem enormen akademischen, beruflichen und persönlichen Wachstum geführt“, sagt sie. „Ich teile die Vorliebe des MIT für kollaborative und multidisziplinäre Forschung, die Begeisterung für intellektuelle Herausforderungen und den Enthusiasmus für die Weiterentwicklung von Wissenschaft und Technologie zum Nutzen der Menschheit.“

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