Towards a sensible digital society

Wiskunde, elektrotechniek en informatica staan aan de basis van onze moderne technologie en daarmee aan de basis van oplossingen voor de grote uitdagingen van deze eeuw. Dat schept mogelijkheden, maar ook verantwoordelijkheden. “We moeten ons er als ingenieurs rekenschap van geven dat de digitale samenleving niet alleen maar zegeningen met zich meebrengt,” aldus professor John Schmitz, decaan van de faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica (EWI).

Wiskunde, (micro)elektronica en informatica. Van medische apparatuur tot vliegtuigen, in alle technologische systemen en apparaten heb je een combinatie van die drie nodig. “Neem je smartphone,” zegt professor John Schmitz, “daar zitten elektronische schakelingen – geïntegreerde circuits – in. Om die te ontwerpen heb je wiskunde nodig. Neem als voorbeeld de wetten van Kirchhoff die zeggen dat de stromen bij een knoop in zo’n circuit bij elkaar opgeteld nul zijn; hetzelfde geldt voor de spanningen in een loop. Het oplossen van die vergelijkingen voor een eenvoudig circuit is te overzien, maar in een modern geïntegreerd circuit, of microchip, zitten miljoenen van die loops. Dan moet je je wiskunde wel kennen.”

Inmiddels heeft de smartphone al 100000 keer zoveel rekenkracht als de computers die voor de maanlanding gebruikt werden. Dat werd mogelijk door de ontwikkeling van de micro-elektronica, die op haar beurt de ontwikkeling van de wiskunde en de informatica heeft beïnvloed. “In de wiskunde moest je vroeger veel analytisch oplossen, wat je met de huidige rekenkracht en – numerieke methodes gewoon kunt uitrekenen. Dat geeft ongekende mogelijkheden” vertelt Schmitz. “Ook kun je allerlei dingen die je vroeger experimenteel moest aantonen nu gedeeltelijk berekenen, zodat je minder dure experimenten hoeft uit te voeren.” Zo versterken wiskunde, informatica en elektronica elkaar, en staan ze gezamenlijk aan de basis van de moderne technologie – een rol die Schmitz graag een keer voor het voetlicht brengt.

Gezondheidszorg

Eén zo’n onderwerp waarbij je niet meteen aan EWI denkt, is gezondheidszorg. Door met behulp van stamcellen weefsel op elektronische chips te groeien (de zogenaamde Organ on Chip) kun je nu heel specifiek de werking van medicijnen bestuderen en op deze manier een op het individu gepersonaliseerde medicatie opstellen. In de sectie Bio-Informatics en Patroon herkenning passen onderzoekers geavanceerde data-analyse om de almaar groeiende hoeveelheid biologische data (afkomstig bijvoorbeeld van DNA sequencing) te kunnen interpreteren en gebruiken.


Ook op het gebied van de medische beeldvorming gebeuren er mooie dingen. “Neem MRI-scanners, die kosten miljoenen vanwege de lineaire magneten die je ervoor nodig hebt. Die magneten zijn in de loop der jaren helemaal geoptimaliseerd, maar om de signalen tot beeld te verwerken, wordt niet de best mogelijke technologie gebruikt,” vertelt Schmitz. “Met een combinatie van eenvoudige magneten en sophisticated beeldverwerking bereik je ook een hele goeie beeldkwaliteit. Dan maak je zulke apparaten ook betaalbaar voor ontwikkelingslanden.”

Maar er kan veel meer informatie uit de duurdere scanners gehaald worden. “Zo’n systeem genereert een hele hoop data, waarvan nu maar een klein gedeelte gebruikt wordt om een tweedimensionaal beeld samen te stellen. Door deze zee van data met behulp van symbooltjes – glyphs – weer te geven, kun je met behulp van computer graphics technieken allerlei processen die zich in het weefsel afspelen visueel inzichtelijk maken, iets wat je met de huidige systemen niet kunt.

Daar zit dan wel zware wiskunde achter,” vertelt Schmitz. “Het draait erom hoe we op een voor menselijke inzichtelijke manier informatie visualiseren. Computer graphics zouden ook uitkomst kunnen bieden in de cockpit, waar piloten zoveel gegevens voorbij zien komen, dat ze er nauwelijks wijs uit kunnen.”

Energietransitie

De energietransitie wordt wel de grootste uitdaging van deze eeuw genoemd. Niet voor niets, volgens Schmitz: “Wereldwijd komt het merendeel van onze energie nog uit fossiele brandstoffen. Dat moet straks 100% groene energie worden en elektrische energie zal daar een belangrijke rol in spelen.” Opwekking van duurzame energie, energieopslag en -conversie, slimme energienetwerken: bij EWI wordt aan alle onderwerpen gewerkt die dat mogelijk moeten maken. Daarbij speelt de overgang van centrale naar decentrale opwekking en distributie een grote rol: “Energie wordt steeds meer tweerichtingsverkeer waarbij je bijvoorbeeld lokaal opgewekte energie aan het net levert of misschien tijdelijk opslaat in de accu’s van auto’s. Ook moet het netwerk kunnen omgaan met fluctuerend aanbod van zonne- en windenergie. In ons nieuwe lab voor systeemintegratie kunnen we straks testen hoe dat precies werkt.” Dat is het Electrical Sustainable Power Lab (ESP Lab), een unieke faciliteit voor onderzoek naar de integratie van al die nieuwe technologieën in één duurzaam energiesysteem.

Blockchain

Waar traditionele klanten steeds meer ‘prosumenten’ van energie worden, neemt ook het aantal transacties toe. Hoe verreken je straks bijvoorbeeld de stroom die je aan je buurman hebt geleverd? Hier kan blockchaintechnologie uitkomst bieden, een nieuwe manier van veilige, gedistribueerde dataopslag. “Blockchain wil digitaal vertrouwen genereren. Dat is nogal wat in een tijd dat er zoveel inbreuken gepleegd worden op ons vertrouwen in instituties,” stelt Schmitz. Hoe werkt dat dan precies? “Blockchain versleutelt je document of gegevens en geeft er vervolgens een unieke code aan, een hash. Dat gebeurt op zo’n manier dat als er iets in je document verandert, ook die hash verandert. Fraude komt zo dus direct aan het licht.” Het vertrouwen in blockchain heeft er verder mee te maken dat je document vervolgens verspreid over internet wordt opgeslagen, wat fraude of diefstal praktisch onmogelijk maakt.


“Je kunt blockchain gebruiken voor een heleboel zaken waar je nu tussenpersonen voor nodig hebt: een testament registreren, een hypotheek afsluiten. Je kunt ook mensen toegang geven tot de financiële wereld in gebieden waar geen banken zijn”, aldus Schmitz. “Alles waar je nu nog een identiteitsbewijs voor nodig hebt zou je straks via blockchain kunnen regelen.” EWI loopt voorop in de ontwikkeling van blockchaintechnologie. De TU Delft is een van de founding fathers van de Dutch Blockchain Coalitie. De Dutch Blockchain Coalition is op de campus gevestigd. “Daar zitten alle maatschappelijke en industriële partners in: banken, overheden, industrie, notarissen, verzekeringsbedrijven, kennisinstituten. Als we het veld dicht bij ons hebben, kunnen we daar beter mee interacteren.”

Onderwijs

Die samenleving staat ook aan de basis van de onderwijstaak die de faculteit zich stelt. “We willen maatschappelijke problemen oplossen. Daar heb je ons onderzoek bij nodig, maar ook ingenieurs die het in de praktijk kunnen brengen. Die leiden we op, want om de wereldproblemen op te lossen heb je ingenieurs nodig”, vindt Schmitz. Met het onderwijs zit het volgens hem wel goed. In een recent benchmarkonderzoek van MIT, het Massachusetts Institute of Technology, wereldwijd gezien als een van de beste technische universiteiten, gooide de TU Delft hoge ogen. “Ik durf wel te beweren dat de onderwijsinnovatie bij EWI er een grote rol in speelt dat we tot de top vijf in wereld behoren. In het rapport van MIT werden onze Solar Energy MOOC en de ‘blended learning’-aanpak van het wiskundeonderwijs immers speciaal vermeld.”

Dat laatste project is PRIME, PRoject Innovation Mathematics Education. “We geven wiskundeonderwijs over de hele TU, dus moeten we die wiskunde ook goed kunnen uitleggen aan niet-wiskundestudenten.” Een combinatie van video’s, interactieve quizzen en online huiswerk moet studenten op een begrijpelijke manier voorbereiden op de colleges en hun wiskundige basis verbeteren. “Binnenkort beginnen we ook met een ‘digital skills’-project, waarbij we alle studenten de basiselementen van het programmeren leren, “ vertelt Schmitz. Behalve het bijbrengen van wiskunde en digitale vaardigheden, moeten studenten – en wetenschappers – echter ook stilstaan bij de potentiele risico’s van de digitale samenleving.

Risico’s

“De invloed van de digitalisering op de samenleving is enorm. Als je in een restaurant aan een tafeltje zit, zit iedereen op zijn schermpje te kijken. Je kunt er over twisten of dat goed of slecht is, maar het heeft grote impact op het dagelijkse leven,” stelt Schmitz. “Aan de andere kant zijn vandaag de dag ook mensen die helemaal geen aansluiting hebben op internet, tellen die dan niet meer mee? De overheid maakt het je al bijna onmogelijk om je belastingen op papier in te vullen.” Sociale uitsluiting is nog maar één risico. Schmitz: “Je kunt een computer zichzelf laten trainen om beelden te herkennen. Het neurale netwerk herkent dan bijvoorbeeld snorharen en besluit dat het een kat ziet. In de loop der tijd traint het zichzelf door allerlei gewichtsfactoren in het neurale netwerk aan te passen. Tot zover geen probleem, maar soms worden die systemen zo ingewikkeld dat wij niet meer begrijpen wat er gebeurt.”

Dat brengt nogal wat potentiele gevaren met zich mee, als we diezelfde systemen onze auto’s laten besturen, of de aandelenmarkt, of medische diagnoses laten stellen. We moeten manieren vinden om technieken zoals deep learning begrijpelijker te maken, anders zouden we wel eens kunnen afstevenen op ‘Weapons of Math Destruction’, zoals wiskundige Cathy O'Neil het in haar gelijknamige boek omschreef. In zijn algemeenheid is dat niet nieuw. “Je hebt bij alles wat je hier uitvindt, dat je er twee kanten mee uit kunt, goed of slecht stelt Schmitz. “Je moet er als ingenieur rekening mee houden dat je dat inzichtelijk dus transparant maakt.”

Digital society

Wel gaat het hier om tot voor kort onontgonnen gebied. “De digitale samenleving is niet meer te stoppen, dus deze problematiek komt eraan, of is er eigenlijk al, al is het nog een vrij nieuwe tak van sport. We moeten ons er wel rekenschap van geven, dat dit soort factoren een rol spelen. Dat begint al bij het trainen van goeie ingenieurs, dus in het onderwijs,” zegt Schmitz. Gelukkig staan we hierin niet alleen. Zo is er het VSNU-programma ‘Digital Society dat naast de kansen ook de risico’s benoemt. “De verenigde universiteiten zeggen: we hebben hier een gemeenschappelijke taak. Waar blijft de menselijke factor in de digitale samenleving? In hoeverre kunnen we digitale contacten en transacties vertrouwen? En al hebben we alle antwoorden nog niet, ik heb hoge verwachtingen dat we die met zijn allen wel vinden. Zo gaan we samen op weg naar een verstandige digitale samenleving.”

Meer informatie

De intreerede van Prof. John Schmitz is online terug te zien via deze link