Vi kan finne eksempler på synkronisert aktivitet mange steder i naturen. For eksempel svermer av ildfluer som begynner å blinke i takt, og mennesker som bryter ut i rytmisk applaus etter en konsert.

Vi kan også finne eksempler i hjernen, der synkronisert elektrisk aktivitet er blitt funnet mellom nevroner i forskjellige områder av hjernen. Forskning har vist at denne aktiviteten kan spille en viktig rolle i hukommelse og gjennomføringen av kognitive oppgaver.

Hva har så disse fenomenene å gjøre med nanomagneter?

Det viser seg at all denne synkroniserte aktiviteten har fellestrekk. De ulike fenomenene kan kobles til hverandre gjennom «synkroniseringsmatematikk».

Mange fenomen, samme matematiske ligninger

Disse vesentlig forskjellige fenomenene kan faktisk beskrives bemerkelsesverdig godt med de samme matematiske ligningene.

En av de mer kjente matematiske modellene for å studere synkronisering er Kuramoto-modellen. Den har blitt brukt for å beskrive den grunnleggende oppførselen til synkroniserte svingninger i mange biologiske og fysiske fenomener. Matematisk kan disse systemene beskrives som et nettverk av koblede oscillatorer, hvor en oscillator i denne sammenhengen er et hvilket som helst system med en periodisk oppførsel. En svingende pendel, for eksempel, returneres til det samme punktet i rommet med jevne mellomrom, hvor disse intervallene tilsvarer oscillatorens frekvens.

I den siste forskningen vår har vi konsentrert oss om å forstå oppførselen til magnetiske oscillatorer i nanoskala. Disse oscillatorene er noen få hundre nanometer store. Til sammenligning har et menneskelig hår en tykkelse på ca. 100,000 nanometer. En nanometer er 0,000000001 meter, så de er ganske små!

Disse oscillatorene kan være nyttige for en rekke magnetiske nanoinnretninger, som mikrobølgekilder og for signalbehandling i telekommunikasjonsteknologi.

Kunstige nevrale nettverk

Men et annet interessant forslag er å bruke slike oscillatorer som byggesteiner for å skape kunstige nevrale nettverk, inspirert av hvordan hjernen løser kognitive oppgaver.

Kunstige nevrale nettverk er et voksende forskningsfelt innen bio-inspirert databehandling. Her ser forskerne til naturen for inspirasjon i utviklingen av bio-inspirerte databrikker basert på arkitektur man finner i naturen. Hjernen, og biologiske systemer generelt, kan utføre beregninger mye mer effektivt enn datamaskiner, og de gjør det raskt og med svært lavt energiforbruk.

Nye fremskritt innen nanoteknologi og materialvitenskap gjør det endelig mulig å se for seg at vi kan designe og bygge nettverk basert på multifunksjonell nanoteknologi som nærmer seg kompleksiteten i biologiske systemer.

Samhandling

Kan vi så greie å bygge kunstige hjernenettverk ved hjelp av nanomagneter? For å få til dette, er det helt avgjørende å forstå hva som skjer når du plasserer mange av disse magnetiske oscillatorene sammen og lar dem samhandle med hverandre. Det var det vi nylig studerte.

For å få de magnetiske oscillatorene til å bli «enige» om en felles frekvens, må de være i stand til å samhandle med hverandre. Når vi plasserer flere av dem tett sammen, kan vekselvirkningen mellom dem føre til at alle oscillatorene blir synkroniserte og «svinger i takt».

Det er her det blir interessant: Å forstå virkemåten til en enkelt oscillator er ikke så vanskelig, selv om det også kan være vrient nok. Men, det er den kollektive oppførselen når du plasserer mange av dem sammen som er den virkelige utfordringen å forstå.

Å finne en matematisk modell

Dette fører oss til et av de viktigste spørsmålene vi tok opp i forskningen vår: Hva skjer når du putter en masse av disse oscillatorene tett pakket sammen, slik at de kan kommunisere med hverandre? Vil de synkronisere til en kollektiv rytme, eller vil vi se noen andre interessante effekter?

Vi studerte dette gjennom matematiske ligninger som vi kunne løse på datamaskinene våre. Vi var inspirert av de vellykkede anvendelsene av den tidligere nevnte Kuramoto-modellen på mange andre områder.

Kunne vi finne en lignende «enkel» matematisk modell for samhandlingen mellom magnetiske oscillatorer?

Det korte svaret her er: Ja, vi tror det.

I den siste artikkelen vår viser vi hvordan vi kan bruke denne matematiske modellen til å beskrive den kollektive atferden i store nettverk av slike magnetiske oscillatorer, og viser en sammenheng mellom systemer av samhandlende oscillatorer i for eksempel nevrovitenskap og disse magnetiske oscillatorene. Begge kan beskrives ved tilsvarende matematiske ligninger.

Mulig å bygge

Så, kan vi bygge kunstige hjernenettverk ved hjelp av nanomagneter?

Vel, å bygge en kunstig hjerne, i betydningen av en menneskelig hjerne, kan nok bli vanskelig. Men å kunne bygge nevrale nettverk som utfører beregninger inspirert av hvordan hjernen løser kognitive oppgaver er mer sannsynlig.

En del av puslespillet for å nå dette målet er å finne egnede elementære byggesteiner. I denne sammenhengen er magnetiske oscillatorer i nanoskala en av de mest lovende kandidatene for å skape kunstig nevrale nettverk som baserer seg på å etterligne nevronenes aktivitet.

I det minste er det interessant at de matematiske ligningene som brukes for å studere synkroniseringen av nevral aktivitet i hjernen også kan brukes til å studere synkroniseringen av disse magnetiske oscillatorene.

Fortsatt er det mange problemer å overvinne og problemer å løse, og bare fortsatt hardt arbeid de neste årene vil vise om slike enheter blir en realitet i fremtiden. I mellomtiden er vi bare glade for å kunne bidra med vår lille bit av puslespillet.

Denne teksten ble først publisert hos NTNU TechZone.

Les den vitenskapelige artikkelen i Scientific Reports. 

Slangeroboter, undervannsdroner, ubemannede skip og flydroner er farkoster du snart kan observere hvis du ferdes på Trondheimsfjorden.

Området etableres nemlig som laboratorium for testing av såkalt autonom teknologi – som blant annet kan erstatte besetningen om bord på båter, sier professor Asgeir Johan Sørensen, direktør ved NTNU Senter for autonome marine operasjoner og systemer.

– Så vidt jeg vet er dette det første testområdet av sitt slag i verden.

– Jeg er faktisk overrasket over hvor fort utviklingen går. Når testområdet nå etableres, har vi også fått norske myndigheters velsignelse til å prøve ut teknologi som vil forundre folk, sier han.

Bra for miljøet

Autonom teknologi blir brukt til å utvikle intelligente systemer der menneskets oppfattelse og inngripen er automatisert.

Vi finner autonome funksjoner i avanserte automatiserte systemer med bemanning der mennesker er til stede – for eksempel i en personbils cruise control og anti-kollisjonssystemer eller i autopiloten på et passasjerfly.

Slike funksjoner finnes også i ubemannede systemer der mennesker ikke er fysisk til stede – som på et førerløst skip, eller på olje- og gassinstallasjoner.

I mange tilfeller er det da snakk om fjernstyring av fartøyet eller installasjonen ved hjelp av satellittkommunikasjon. Kontrollen er flyttet fra broen på skipet eller kontrollrommet på installasjonen til et senter på land.

– Hvis det oppstår et brudd eller en forsinkelse i kommunikasjonslinjen, må systemene likevel være i stand til å «tenke» selv og ta beslutninger. På dette området har vi kommet lengst med autonome undervannsfartøyer, sier forklarer Sørensen.

– Førerløse fartøy betyr ikke nødvendigvis at det ikke jobber folk om bord, men besetningen vil ha andre funksjoner.

• Les også: Bør den førerløse bilen ofre sin egen passasjer?

Blir brukt i farlige områder

Autonome ubemannede fartøyer brukes i dag til å utføre oppgaver i uoversiktlige og til dels farlige områder, eller til måling og kartlegging av geografiske områder.

Det som nå kommer for fullt, er utviklingen av større førerløse fartøyer som kan frakte folk eller gods. Og det kan miljøet tjene på.

– Førerløse båter som skal frakte gods, kan bygges uten lugarer til besetningen og uten ventilasjonssystemer som ellers er nødvendig for at folk om bord skal ha det bra. De blir derfor både lettere og billigere å bygge. I tillegg kan førerløs godstrafikk gi oss et langt mer differensiert transportmønster, sier Sørensen.

Skip som kjører sakte bruker mindre drivstoff, og i framtida kan derfor farten på godstrafikken i større grad tilpasses lasten om bord. Noen varer må fort fram, mens andre tåler at transporten tar tid. Dermed spares miljøet, samtidig som driftskostnadene kuttes.

I tillegg kan ubemannede skip bygges på måter som gjør dem mindre sårbare for angrep fra for eksempel pirater.

• Les også: Bilen skal lære å kjøre som folk

Nye krav til regelverk og standarder

Trondheimsfjorden er svært godt egnet som testområde for autonome fartøyer. Fjorden er oversiktlig, stor og bred, nesten som et lite hav – samtidig som den er krevende nok til å gi mennesker og teknologi noe å bryne seg på. I tillegg er skipstrafikken relativt liten.

Det viktigste er likevel at det ved fjorden finnes forskningsinstitusjoner, næringsliv og industri som har lange tradisjoner for forskning og utvikling av autonome systemer, skipskonsepter, akvakultur, mineralutvinning og robotikk.

Nå får disse aktørene et testlaboratorium rett utenfor dørstokken, men testområdet blir også tilgjengelig for andre aktører som har behov for å prøve ut autonome fartøy.

– Muligheter for kvantesprang

Det er Kongsberg Seatex, Marintek og Maritime Robotics som sammen med NTNU står bak initiativet om å etablere testområdet.

Sørensen mener dette gir et konkurransefortrinn: – Med omstillingen i olje- og gassektoren ligger alt til rette for et kvantesprang på området. Det er i nedgangstider at radikale nytenkningsprosjekter oppstår, sier Sørensen.

Professor Ingrid Schjølberg er direktør for NTNU Havrom. Hun peker på at Norge er en maritim nasjon, og at det da er viktig at vi også er i forkant på maritim forskning og at den nødvendige forskningsinfrastrukturen er på plass.

– Det er behov for bred faglig kompetanse når autonome systemer nå utvikles i rekordfart – siden disse systemene omhandler miljø, teknologi og drift, men også menneskelige operatører og operasjonell sikkerhet, sier hun.

• Les også: Snart er det ingen pilot som styrer flyet

Vanskelig å forutse hva som kan gå galt

Asgeir Johan Sørensen peker også på at den raske utviklingen av autonome systemer stiller helt nye krav til hvordan vi kan håndtere risiko, og at en mer funksjons- og risikobasert tilnærming må inn i ny teknologi og operasjoner. Han mener flaskehalsen for den videre utviklingen av teknologien ligger nettopp her.

– For hele bransjen er det krevende å henge med i utviklingen. For myndigheter og klassifiseringsselskaper blir det en stor utfordring å følge opp standarder og regelverk, inkludert adekvat testing og verifikasjon på dette området, forklarer han.

Ingrid Bouwer Utne er professor ved Institutt for marin teknikk ved NTNU, og forsker blant annet på risikoanalyse og vedlikeholdsstyring av marine systemer.

Hun peker på at det ofte blir laget nye regler etter at det har skjedd ulykker. Selv om automatisering ikke er et nytt fenomen, øker kompleksiteten og avhengighetene i systemene. Dermed blir det mer utfordrende å forutse og ta høyde for alt som faktisk kan gå galt.

– Dette med risikohåndtering kommer gjerne litt sent inn i utviklingen av ny teknologi – og dette gjelder ikke bare for autonome systemer. Men når vi får systemer som skal operere på egen hånd, gjennom overvåkning og fjernstyring, blir for eksempel situasjonsforståelsen og informasjonsflyten mellom system og operatør straks mer utfordrende, sier Utne, som tror både myndigheter og andre aktører ser at dette med risikohåndtering må tas på alvor.

– Når operatøren fjernes fra skipet, må det autonome skipet være i stand til å forstå og håndtere utfordringer og uønskede situasjoner i større grad selv. 

• Les også: Stor klimagevinst med robotdrosjer