Evolvable Hardware (EHW) – sich selbst verändernde Hardware – heißt das Stichwort. Das Ziel: sich der Umwelt und den Anforderungen selbst anpassende Systeme zu schaffen. Das klingt noch wie eine Idee aus einem Science-Fiction-Film, hat aber unter Wissenschaftlern schon seit Beginn der 90er-Jahre durch die Verfügbarkeit einfach rekonfigurierbarer Hardware (beispielsweise Field Programmable Gate Arrays, FPGA – das sind einfach rekonfigurierbare Schaltkreise) zunehmend Aufmerksamkeit gefunden. Diese Chips werden nun mit evolutionären Software-Algorithmen kombiniert: Verfahren, die auf der Darwinschen Evolutionstheorie basieren. Durch Nachahmung von Prinzipien wie Reproduktion (Fortpflanzung) und Mutation (zufällige, kleine Änderung) ändern diese Verfahren ihre eigenen Parameter. In Anlehnung an das Darwinsche „Survival of the Fittest“ wird dafür gesorgt, dass nur gut angepasste Individuen überleben oder zumindest eine größere Anzahl an Nachkommen haben. Die Technologie ist deshalb auch für die Raumfahrt- und Rüstungsindustrie interessant. Die US-Raumforschungsbehörde Nasa selbst veranstaltet regelmäßig Workshops zu diesem Forschungsgebiet. Jason Lohn vom Nasa- Forschungszentrum in Kalifornien erklärt: „Von EWH verspricht man sich Maschinen, die sich selbst programmieren, anpassen und entwickeln können.“ Die Nasa sei beispielsweise daran interessiert, Systeme für Weltraumfahrzeuge zu entwickeln, die sich selbst reparieren können, wenn etwas schief geht. Geld sparen beim Entwurf
Ein interessantes Anwendungsgebiet für sich selbst verändernde Hardware ist das Design von analogen Schaltkreisen. Man findet in der heutigen Zeit zwar überall digitale Geräte, doch müssen diese natürlich auch mit der realen Welt kommunizieren – und die ist nach wie vor analog. Problem: Umgebungseinflüsse wie zum Beispiel Temperatur und Luftfeuchtigkeit können die elektrischen Eigenschaften der in den Mikrochips integrierten Widerstände und Kondensatoren stark verändern, was sich in Signalverfälschungen ausdrückt. Die wohl größte Forschungseinrichtung auf diesem Gebiet ist das Evolvable Systems Lab des Electrotechnical Laboratory (ETL) in Japan. Es steht unter der Leitung von Tetsuya Higuchi. Ihm ist es gelungen, mit Hilfe genetischer Algorithmen Chipentwürfe so zu optimieren, dass sie mit den Designspezifikationen völlig übereinstimmen. Indem der Algorithmus die Performance jedes Chips ständig überprüft, entwickelt er eine Architektur, die für Schwankungen bei Widerständen und Kondensatoren weitgehend unempfindlich ist. Weitere Anwendungen der sich selbst verändernden Hardware sehen Higuchi und Kollegen zum Beispiel in autonomen Robotern, die sich selbst auf eine neue Aufgabenstellung umprogrammieren können. Ihnen macht es auch nichts aus, wenn plötzlich ein Sensor (etwa ein Auge) nicht mehr funktioniert – sie holen sich die nötigen Daten über ihre Umgebung dann von anderen Sensoren oder durch Versuch und Irrtum. Auch eine sich an ihren Benutzer anpassende Handprothese haben die japanischen Forscher konstruiert. Ihr Vorteil: Während es normalerweise rund einen Monat dauert, bis der Besitzer der Prothese diese zufrieden stellend steuern kann, ist das mit sich selbst verändernder Hardware ausgerüstete Modell schon in Minuten einsatzbereit. Raffinierte Lösungen dank Evolution
Auch Adrian Thompson von der Universität von Sussex arbeitet an evolutionären Schaltkreisentwürfen. Er kreierte einen Schaltkreis, der durch Verwendung eines genetischen Algorithmus zusammen mit einem rekonfigurierbaren Chip in der Lage war, zwischen zwei Frequenzen zu unterscheiden. Was der Chip leistete, erregte wenig Aufsehen – spannender war, wie das Ergebnis zu Stande kam: Es stellte sich heraus, dass selbst Zellen, die elektrisch gar nicht in den Schaltkreis eingebunden waren, dessen Leistung beeinflussten. Als Thompson sich daran machte, den Grund hierfür zu analysieren, fand er eine Schaltung, die so komplex verschachtelt war, dass er sie nicht erklären konnte: „Es funktionierte zwar, aber ich hatte keine Ahnung, wie der Chip das macht.“ Die Lösung der Evolution sei zudem so raffiniert, dass kein menschlicher Entwickler je darauf gekommen wäre. Einige Firmen planen bereits kommerzielle Anwendungen der EHW-Technik. Die im US-Staat Colorado ansässige Firma Genobyte arbeitet zurzeit an einer drahtlosen Kommunikationstechnologie mit dem Namen Genetic Silicon, die noch in diesem Jahr auf den Markt kommen soll. Mehr als den einfallsreichen Namen des Produkts will der President von Genobyte, Michael Korkin, allerdings noch nicht verraten. Noch weiter gehen die Pläne von Hugo de Garis, Leiter der Forschungsgruppe Künstliche Gehirne am Starlab-Forschungszentrum bei Brüssel. De Garis will künstliche Intelligenz nicht über Software simulieren, sondern einen Computer bauen, der in Aufbau und Struktur dem Gehirn ähnelt. Ziel ist es, Maschinen zu konstruieren, die gehirnartige Strukturen in Form von Mikrochips selbst produzieren. De Garis hat zusammen mit Genobyte die so genannte Cam-Brain-Maschine entwickelt – Hauptziel: die Entwicklung eines Gehirns mit einer Milliarde künstlicher Nervenzellen. Links
Japanische Forscher entwickeln sich verändernde Hardware
www.etl.go.jp/etl/divisions/~ehw/
Projekte der Firma Genobyte
www.genobyte.com/projects.html
Der dritte Nasa-Workshop über Evolvable Hardware (EHW)
cism.jpl.nasa.gov/ehw/events/nasaeh01/
Professor de Garis und sein Starbrain-Projekt
foobar.starlab.net/~degaris/
Forschung zu evolutionärer Elektronik
www.cogs.susx.ac.uk/users/adrianth/ade.html
De Garis selbst ist von seinen Projekten natürlich hellauf begeistert und sieht sich selbst verändernde Hardware schon als die Grundlage künftiger Gehirnkonstrukteure: „Ich wette, dass es innerhalb von etwa 15 Jahren weltweit einen Milliarden-Dollar-Markt für gehirnbasierte Computer geben wird.“ In rund 30 Jahren will de Garis künstliche Gehirne bauen, die eine Million mal leistungsfähiger sind als das menschliche Denkorgan. Und das, obwohl er selbst ausdrücklich vor Gefahren warnt, wie sie bisher nur aus Science-Fiction-Filmen wie „Terminator“ bekannt sind: „Ich bin überzeugt, dass Maschinen uns in Sachen Intelligenz weit überholen werden. Das könnte uns als Spezies schließlich zum Verhängnis werden.“ Manche Forscher warnen aber auch aus praktischen Gründen vor zu großer Begeisterung. So zum Beispiel Reiner Hartenstein vom Fachbereich Informatik der Universität Kaiserslautern: „Wie seinerzeit beim Aufkommen des Begriffs Artificial Intelligence, so wecken einige Vertreter der Evolvable-Hardware-Szene überzogene Erwartungen bezüglich der Realisierbarkeit und des Zeithorizonts, wohl um besser an Nasa-Gelder heranzukommen. Enttäuschungen in einigen Jahren sind programmiert.“ Kirsten Kücherer, Matthias Matting