Hva er kunstig intelligens by Universitetsforlaget

9788215020211.qxd:Layout 1

12-11-13

13:20

Side 1

ISBN 978-82-15-02021-1

Jim Tørresen

Universitetsforlaget har utfordret noen av Norges fremste fagformidlere til å gi svar på krevende spørsmål. hva er-bøkene er velskrevne introduksjoner som gir begynneren stimulerende møter med ukjente tema, og den viderekomne nye perspektiver.

KUNSTIG INTELLIGENS

Jim Tørresen (f. 1964) er professor i informatikk ved Universitetet i Oslo. Han har jobbet med kunstig intelligens i over 20 år gjennom undervisning, forskning og ansvar for flere forskningsprosjekter. Dette har resultert i en lang rekke vitenskapelige artikler og populærvitenskapelige omtaler.

hva er

hva er Kan maskiner bli like intelligente som mennesker? Hvorfor er de ikke allerede mer intelligente enn oss? Har vi noe å frykte for fremtiden? I boken hva er KUNSTIG INTELLIGENS gir forfatteren en lettfattelig og engasjerende introduksjon til kunstig intelligens. Hva mener vi med det og hvilke metoder er mest utbredt og anvendelige? Kunstig intelligens er biologiinspirerte prinsipper som kan anvendes innen design av datasystemer. Prinsippene finner forskerne i naturen, enten som en del av et individ, eller i samvirke mellom individer. Kunstig intelligens kan inngå både i systemer for sansing, resonnering og respons.

hva er KUNSTIG INTELLIGENS Jim Tørresen

hva er kunstig intelligens

Hva er kunstig intell.indd 1

11.11.13 19.56

har utkommet: hva er angst hva er biologi hva er diplomati hva er etikk hva er eu hva er feminisme hva er film hva er filosofi hva er fundamentalisme hva er funksjonshemming hva er fysikk hva er geografi hva er helse hva er hinduisme hva er hukommelse hva er humanisme hva er idéhistorie hva er innvandring hva er internett hva er intuisjon hva er islam hva er JOURNALISTIKK hva er klima hva er kosmos

Hva er kunstig intell.indd 2

hva er kreativitet hva er krig hva er kristendom hva er kropp hva er ledelse hva er litteraturvitenskap hva er makt hva er matematikk hva er medievitenskap hva er medisin hva er menneskerettigheter hva er nyreligiøsitet hva er pedagogikk hva er psykologi hva er religion hva er rett hva er sakprosa hva er smerte hva er sosialantropologi hva er sosialt arbeid hva er sosiologi hva er språk hva er tid hva er tillit

www.hvaer.no

11.11.13 19.56

Jim TĂ¸rresen

hva er

Hva er kunstig intell.indd 3

kunstig intelligens

universitetsforlaget

11.11.13 19.56

© Universitetsforlaget 2013 ISBN 978-82-15-02021-1 Materialet i denne publikasjonen er omfattet av åndsverklovens bestemmelser. Uten særskilt avtale med rettighetshaverne er enhver eksemplarfremstilling og tilgjengeliggjøring bare tillatt i den utstrekning det er hjemlet i lov eller tillatt gjennom avtale med Kopinor, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Utnyttelse i strid med lov eller avtale kan medføre erstatnings ansvar og inndragning, og kan straffes med bøter eller fengsel. Henvendelser om denne utgivelsen kan rettes til: Universitetsforlaget AS Postboks 508 Sentrum 0105 Oslo www.universitetsforlaget.no Omslag: Universitetsforlaget Foto: StudioVest AS Sats: Prograph AS Trykk og innbinding: Bookwell Oy Boken er satt med: Minion 9,5/13,5 pkt Papir: 90 g Munken Print White 1,5

Hva er kunstig intell.indd 4

11.11.13 19.56

Innhold Forord 7 kapittel 1 Kunstig intelligens og i ntelligente systemer 12 kapittel 2 Problemløsning med kunstig intelligens 28 kapittel 3 Evolusjon, vekst og læring 47 kapittel 4 Sansing og oppfatning 67 kapittel 5 Bevegelse og robotikk 78 kapittel 6 Hvor intelligente kan og bør maskiner bli? 97 Noter 115 Litteratur 116 Register 117

Hva er kunstig intell.indd 5

11.11.13 19.56

Hva er kunstig intell.indd 6

11.11.13 19.56

Forord Da jeg var liten, likte jeg å finne opp ting. Ofte var ambisjonen større enn gjennomføringsevnen for det jeg hadde lyst til å lage. Vi hadde ganske lang vei bort til postkassen vår der jeg vokste opp på Sørlandet, og det var ikke alltid vi så når postbilen stoppet for å levere dagens post. Derfor ble det en del bomturer for å sjekke om posten var kommet, spesielt i sommerferiene. Da fikk jeg den ideen at jeg kunne trekke en ledning med to ledere bort til postkassen og få de to lederne til å kobles sammen når lokket ble åpnet. Den andre enden av ledningen trakk jeg inn i huset og koblet til batteritilførselen til en kassettspiller. På en kassett hadde jeg så spilt inn et ganske langt opptak med «posten er kommet, posten er kommet». Når postmannen kom og åpnet lokket, startet kassettspilleren «posten er kommet» og stoppet igjen når han lukket lokket. Jeg fortalte ikke alle i huset om systemet, så en gang postbudet ikke lukket lokket igjen, oppstod det en viss oppgitt het: Hvorfor kunne jeg ikke heller bare hente posten istedenfor å gjenta «posten er kommet, posten er kommet ...» helt til jeg selv etter hvert fikk stoppet avspillingen? Det var et veldig enkelt system, men likevel med noe som ble oppfattet som menneskelig oppførsel. Denne hendelsen gav meg både tilfredsstillelsen av å lage noe jeg ikke hadde sett før, men samtidig også erfaringen i å se utfordringen med å lage systemer som håndterer uforutsette hendelser. Godt samvirke mellom

Hva er kunstig intell.indd 7

11.11.13 19.56

hva er kunstig intelligens

menneske og maskin er viktig for at vi skal ønske å bruke ny teknologi og faktisk ha nytte av den. En utfordring med å prøve å finne opp noe nytt er ellers at en blir overveldet av alt det som allerede er funnet opp og hvor tilsynelatende bra det er. Da er det viktig at barn og unge likevel føler lysten til å være kreative og tenke ut «Petter Smart-ideer», selv om første versjon ofte har en del svakheter, slik jeg fikk erkjenne. Kunstig intelligens (eng. artificial intelligence) er ett av mange områder der det fortsatt er stort potensial for fremskritt. Vi er fortsatt på mange områder i startfasen med å utvikle og ta i bruk kunstig intelligens. Hva er så kunstig intelligens? Kort fortalt er det datasystemer som kan gi en mest mulig intelligent oppfattelse, resonnering og respons. Det kan være systemer som brukeren har glede av på en datamaskin, i produkter fra elektromarkeder eller de inngår i en mekanisk robot i en eller annen form. Det finnes forskjellige angrepsmåter for kunstig intelligens. I denne boken fokuserer jeg på biologiinspirerte prinsipper som kan anvendes innen design av intelligente datasystemer. Prinsippene finner forskerne i naturen enten som en del av et individ eller i samvirke mellom individer. I dag omgir vi oss allerede med en rekke hjelpemidler som datamaskiner, smarttelefoner og industriroboter. De hjelper oss med å gjøre avanserte utregninger, holder oss i kontakt med omverdenen og lar oss slippe en del rutinearbeid. Vi kan derfor lure på om vi trenger mer intelligente systemer i form av kunstig intelligens? Eller om det faktisk er mulig å lage noe mer intelligent? Skal vi ikke la utviklingen ta en pause nå som vi har «alt vi kan tenke oss» av elektroniske hjelpemidler? Vi kan samtidig snu på det og undre oss over hvordan vi hadde hatt det i dag uten moderne hjelpemidler − alt fra miksmaster til bil. Det er flere som opp igjennom tidene har uttalt at det kan forventes lite videre utvikling; IBMs grunnlegger Thomas Watson sa i 1943 at «Jeg

Hva er kunstig intell.indd 8

11.11.13 19.56

forord

tror det vil kun være et verdensmarked for omkring fem datamaskiner». Det var en dårlig spådom! De færreste ønsker oss ikke tilbake til tiden før den industrielle revolusjonen der all produksjon stort sett ble utført av menneskehender. Det var tunge løft og helsefarlig arbeidsmiljø. I dag settes i stor grad biler sammen av roboter. Likevel er det et paradoks at idet de triller ut av produksjonslokalet er de avhengige av en person for å komme seg videre og rundt omkring. Fabrikker ble i stor grad automatisert for mange tiår siden, mens transport i svært liten grad har blitt det. Antallet kjøretøy − både private, busser og trailere − bare øker. Det betyr at tiden som går med til ganske passivt å styre og avpasse farten på kjøretøy øker i samfunnet år for år. Nå er det mange grunner til at automatiserte kjøretøy ikke ennå er å få kjøpt, men en viktig grunn er at det ikke finnes gode nok og smarte nok datasystemer til å kunne gjøre det på en forsvarlig måte. Vi må fortsatt stole på den menneskelige hjerne. Samtidig blir de første prototypene på helautomatiske biler testet ut, og vi vil komme til å møte dem i trafikken noen år frem i tid. Forskere har i flere tiår sett på mulighetene for å la avanserte dataprogrammer overta menneskenes oppgaver, og menneskelignende roboter har vært et yndet tema i mange filmer. Vi har sett hvor hjelpsomme de kan komme til å bli, men også hvor ødeleggende de kan være. Allerede i 1927 var en robot med i filmen «Metropolis», som beskrev et lite hyggelig fremtidssamfunn. I filmen «Terminator» fra 1984 spiller Arnold Schwarzenegger en ustoppelig krysning av et menneske og en maskin. En rase av maskiner med kunstig intelligens vil utrydde menneskeheten og sender ham tilbake i tid fra 2029 for å bidra til utryddelsen. Innslaget av slike skrekkvisjoner i filmer synes å ha avtatt i de senere årene, samtidig som det stadig kommer ulike nye roboter på markedet. Disse blir gradvis mer avanserte og «intelligente», men

Hva er kunstig intell.indd 9

11.11.13 19.56

hva er kunstig intelligens

ikke nødvendigvis mer menneskelignende. Så trusselen slike nye vesener representerer, er foreløpig langt mindre i virkeligheten enn på film. Det er likevel viktig å forholde seg til sosiale og etiske sider ved kunstig intelligens. Hvordan forventer og tror vi at kunstig intelligens kommer til å utvikle seg? Har vi noe å frykte? Kan datamaskiner få bevissthet? Det er lett å skape frykt for fremtiden og derigjennom skepsis til fremskritt. Utviklingen så langt viser imidlertid at vi snakker om potensielt andre problemer og utfordringer ved ny teknologi enn de vi kanskje opprinnelig så for oss. Eksempler på problemer relateres til en ny og stressende hverdag for å følge opp alle i fora for kommunikasjon (SMS, e-post og sosiale medier som Facebook) og spillavhengighet snarere enn at systemene er blitt oss overlegne. Dette er diskutert i bokens siste kapittel. Kunstig intelligens kan realiseres på mange forskjellige måter. Det er derfor et såpass omfattende tema at det ikke er mulig å dekke alt like grundig i denne lille boken. Jeg har derfor måttet ta en del valg og prioriteringer som helt og holdent står for min egen regning. Du som leser vil kanskje ønske å lese mer om visse temaer, og til det er det tips til videre lesning etter hvert kapittel. Jeg har valgt å starte første kapittel med en oversikt over hele fagområdet; hvordan har det oppstått, hva inngår i det vi betegner som kunstig intelligens, og hvordan kan vi utvikle kunstig intelligens? Vi ser i dette første kapittelet på allsidigheten til kunstig intelligens både i metoder og hva det kan brukes til. Jeg fortsetter i kapittel 2 med en kortfattet omtale av en del relevante metoder og eksempler på hva de kan anvendes til. Deretter går jeg mer i dybden i kapittel 3 på metoder inspirert av evolusjon, vekst og læring som alle er sentrale prinsipper for oppbyggingen og virkemåten til mennesker, dyr og planter. Sansing og bevegelse er viktige for mennesker og dyr, og systemer for dette er dekket i

Hva er kunstig intell.indd 10

11.11.13 19.56

forord

henholdsvis kapittel 4 og 5. Talegjenkjenning, proteser og selvkjørende biler er noe av det vi kommer inn på. I bokens sjette og siste kapittel reflekterer jeg altså rundt fremtidsvyer og etiske sider ved kunstig intelligens. En stor takk til forlagsredaktør Eli Valheim som har fulgt opp utarbeidelsen av boken på en utmerket måte gjennom en god blanding av kommentarer og oppmuntringer. Jeg har også hatt god hjelp av mine kolleger Kyrre Glette og Keith Downing som har lest manuset til boken grundig. Jeg takker også dere for viktige og nyttige kommentarer. Sist, men ikke minst, takk til Kirsten og Ingebjørg for oppmuntringer og forståelse for at det tar tid å skrive en bok.

Oslo, november 2013 Jim Tørresen

Hva er kunstig intell.indd 11

11.11.13 19.56

kapittel 1

Kunstig intelligens og intelligente systemer Det er sommeren 1956, og vi er i Hanover i staten New Hamp shire nær den nordlige delen av den amerikanske østkysten. Byen har ikke mange innbyggere, men den har et lite universitet, Dartmouth College. Det er anerkjent i form av å inngå i eføyligaen av amerikanske universiteter. Eføyuniversitetene er så gamle at de har eføy voksende opp langs veggene, og de konkurrerer mot hverandre innen en rekke sportsgrener. De som var samlet på Dartmouth College sommeren 1956, var opptatt av noe annet; kunstig intelligens (KI). John McCarthy, en 28 år gammel amerikansk forsker, hadde fått hjelp av den jevngamle Marvin L. Minsky og noen andre sentrale forskere til å bidra med å samle amerikanske forskere innen automatteori, nevrale nettverk og studier av intelligens til et seks uker langt arbeidsseminar. Modeller av hjernens nevrale nettverk og programmer for å kunne jobbe med symboler (fremfor tall) var noe av det som ble presentert og diskutert. McCarthy fikk gehør på arbeidsseminaret for at fagfeltet burde kalles kunstig intelligens. Det er det unormalt lange seminaret som i ettertid er regnet som grunnleggelsen av forskningsfeltet kunstig intelligens. Ikke på grunn av store gjennombrudd, men ved at det satte viktige

Hva er kunstig intell.indd 12

11.11.13 19.56

1 kunstig intelligens og intelligente systemer

forskere i kontakt med hverandre. Disse forskerne skulle vise seg å bli ledende innen forskningen på kunstig intelligens gjennom flere tiår. Arbeidsseminaret tydeliggjorde behovet for å etablere et eget fagfelt for kunstig intelligens, siden ingen andre etablerte områder hadde fokus på å bygge maskiner som kunne fungere uten menneskelig kontroll i komplekse og skiftende omgivelser. Fagfeltet har nå eksistert i over 50 år, og kunstig intelligens er etter hvert tatt i bruk på ulike områder. Potensialet for mer intelligente systemer er likevel fortsatt stort. Vi ser det på hvor ulikt vi forholder oss til maskiner og mennesker. Vi kommuniserer med datamaskiner og mobiltelefoner stort sett med tastetrykk istedenfor tale. Responsen kommer oftest på en større eller mindre skjerm. Vi mennesker kommuniserer derimot oss imellom på et høyt abstraksjonsnivå som gjennom tale og kroppsuttrykk. Vi har samtidig evnen til å lære av hverandre og forbedre oss i hvordan vi gjør ting. «Øvelse gjør mester.» Vi kan bli flinkere til å lage mat, til å pusse opp huset og ikke minst bedre i hvordan vi forholder oss til situasjoner i dagliglivet. Et nytt elektronikkprodukt fra kjøpesenteret har derimot en forhåndsbestemt virkemåte. Når vi kommer hjem og begynner å bruke det nye digitalkameraet, ser vi at det tar flotte bilder, og vi knipser i vei. Bruksanvisningen er lang og uoversiktlig og ikke den vi bruker mest tid på. Problemet oppstår når vi tar bilder i motlys og vi ikke har fått skrudd på motlysfunksjonen. Hvorfor skal vi mennesker måtte forstå alle detaljer i hvordan kameraet vårt best brukes? Kan ikke kameraet selv fortelle oss hvordan vi kan ta bedre bilder, når en erfaren fotograf lett vil kunne se det? Et kamera har tross alt ikke andre oppgaver i «livet» sitt enn å ta bilder. Takket være kunstig intelligens er kamerateknologien i ferd med å komme oss i møte på dette området. Mange nye kameraer har en egen funksjon for ansiktsgjenkjenning som gjør at

Hva er kunstig intell.indd 13

11.11.13 19.56

hva er kunstig intelligens

de automatisk fokuserer på ansikter i bildet. Vi kommer tilbake til andre varianter av kameraer og kunstig intelligens i kapittel 4. Kunstig intelligens dreier seg, som nevnt i forordet, om å utvikle datasystemer som kan gi en mest mulig intelligent oppfattelse, resonnering og respons. Det inkluderer evnen til å tilpasse seg til hver enkelt bruker og kommunisere på et høyt abstraksjonsnivå. Vi kaller dem ofte for intelligente systemer. Et viktig element er evnen til å lære av eksempler og forbedre egen oppførsel gjennom utprøving av ulike konfigurasjoner av systemet. Vi snakker om selvlærende systemer. Fagområdet kunstig intelligens bygger på studier innen filosofi, psykologi, nevrovitenskap, matematikk og senere datamaskinteknologi. Jeg vil i denne boken gjennomgå forskjellige biologiske aspekter som er aktuelle for kunstig intelligens, og vise eksempler på hvordan vi kan dra nytte av dem i datasystemer. Dagens datamaskin er på mange områder den menneskelige kapasitet overlegen innen områder som matematiske utregninger og søk i store datamengder. På den andre siden overgår vi datamaskinen innen de fleste områder av sansing og bevegelse. Våre mange sanser som syn, hørsel og lukt er viktige for vår oppfattelse av omgivelsene og for assosiering med det vi omgir oss med. Vi kan koordinere en rekke kroppsdeler samtidig, uten å observere hvordan de samvirker. Du kan teste en type menneskelig intelligens ved å gjøre noe med fingrene dine, som å sette fingertuppene mot hverandre eller å prøve å plukke opp noe. Først mens du ser på, og deretter med lukkede øyne og til sist med hendene bak på ryggen. Klarer du å gjøre det samme? Hva om du øker hastigheten på bevegelsene? Det blir litt vanskeligere etter hvert, men det er samtidig imponerende hvor koordinert bevegelsene er. Utvikling av modeller for slik menneskelig bevissthet er en brikke i det å lage intelligente systemer som kan inneholde kunnskap om brukerens behov og ønsker. Det er også viktig for å gi roboter effektive bevegelser.

Hva er kunstig intell.indd 14

11.11.13 19.56

1 kunstig intelligens og intelligente systemer

Science fiction-forfattere og -filmskapere lar seg ofte motivere av menneskelig oppførsel og intelligens, og skaper roboter og datamaskiner med (over)menneskelig oppførsel og personlighet. Mange forskere lar seg motivere av dette igjen og inspireres til utvikling av det som presenteres på film og i bøker. Den franske forfatteren Jules Gabriel Verne (1828–1905) skrev om å reise i rommet, i luften og under vann før fly og ubåter var funnet opp. Han regnes ofte for å være far til science fiction. I dag har vi farkoster som lar oss utforske både rom, luft og vann. På samme måte er både biologi og science fiction motivasjon for dagens forskning innen kunstig intelligens. Forskningen har vist at det er en vanskelig oppgave å løse, og mange og til dels sprikende metoder har vært undersøkt. De er basert på ulik forståelse av hva som ligger i begrepet kunstig intelligens, og hvilke sett av biologiinspirerte metoder som er best egnet. Jeg vil prøve å dekke helheten i denne boken, men samtidig forsøke å beskrive hva som har vist seg å være mest lovende siden omkring år 2000. Dette inkluderer biologiske prinsipper med anvendelser innen klassifisering, søk og optimalisering. Videre vil jeg gi eksempler på nytten av disse innen sansing og bevegelse.

Grunnlaget for kunstig intelligens Ordet intelligens kommer fra det latinske ordet intellegentia som betyr «å være forstandig», som igjen kommer fra intellegō som igjen kommer fra inter (mellom) og legō (velge eller plukke ut). Det finnes mange forskjellige måter intelligens er definert på som selvbevissthet, tenking, resonnering, læring og problemløsning. Den mest avanserte formen for intelligens observeres i hjernen til dyr og mennesker. Vitenskapsfolk har i århundrer prøvd å forklare og beskrive hvordan hjernen er oppbygd og fungerer. En av de første som introduserte tanker om en modell av

Hva er kunstig intell.indd 15

11.11.13 19.56

hva er kunstig intelligens

hjernen var Warren McCulloch, en amerikansk psykiater, kybernetiker, filosof og poet. Han skrev i 1943 en vitenskapelig artikkel sammen med Walter Pitts, der de kombinerte ideer rundt beregningslogikk1 og nervesystemet. Det fortsatte med flere artikler der beregningsmodeller for enkle nevrale nettverk ble introdusert. John von Neumann, som designet den første digitale datamaskinen i 1943, sies å ha vært influert av dette arbeidet. To studenter ved Harvard, Marvin Minsky og Dean Edmonds, bygde den første nevrale nettverk-maskinen i 1950. Basert på blant annet 3000 radiorør var den i stand til å simulere et nettverk av 40 nevroner. Nevroner er nerveceller i hjernen. Vi har rundt 100 milliarder av dem, og hver har i gjennomsnitt koblinger til 7000 andre nerveceller gjennom kontaktpunkter som kalles synapser. Du vil finne mer om dette i kapittel 3. Alan Turing prøvde i 1956 å definere en standard for hva som må til for at en maskin skal kunne kalles intelligent. Standarden, som ble kalt Turing-testen, går ut på at en datamaskin passerer testen hvis et menneske, etter å ha kommunisert skriftlig med en samtalepartner, ikke kan skille mellom om den er et menneske eller en maskin. En datamaskin som skal kunne etterligne et menneske, må ha en rekke egenskaper for å klare det. Den må kunne:

• gjenkjenne og generere naturlig språk for å kommunisere som et menneske • lagre informasjon for å representere kunnskap den har fått eller får • resonnere basert på lagret informasjon og trekke nye konklusjoner • kunne lære for å tilpasse seg nye omstendigheter og trekke ut mønstre

Hva er kunstig intell.indd 16

11.11.13 19.56

1 kunstig intelligens og intelligente systemer

Testen unngikk bevisst den fysiske interaksjonen, siden den fysiske tilstedeværelsen, dvs. at en robot tas for å være et menneske, ikke er nødvendig for intelligens. Det finnes likevel også en total Turing-test som inkluderer video av samtalepartneren for å kunne vurdere også den fysiske oppførselen. For å kunne passere denne testen må systemet i tillegg:

• ha datasyn for å kunne oppfatte objekter • bestå av en robot som kan manipulere objekter og flytte seg omkring

De seks egenskapene som er nevnt over inneholder det meste av det som kalles KI i dag, og det er imponerende at Turing klarte å formulere testen allerede for over 50 år siden. Det er likevel få KI-forskere som har prøvd å lage systemer som kan passere testen. Dette skyldes delvis den tanken at det viktigste er å studere prinsippene bak intelligens, snarere enn å lage et system som er mest mulig likt menneskelig intelligens. Denne tanken er motivert av blant andre Wright-brødrene som klarte å lage det første vellykkede flyet etter å ha sluttet å prøve å imitere fugler, og heller bruke en vindtunnel og forstå aerodynamikk. I de første årene etter at forskere hadde begynt å jobbe med ideer innen kunstig intelligens, ble det introdusert en rekke lovende systemer, riktignok noe begrenset. På 1950- og 1960-tallet var datamaskiner i sin spede barndom, og så snart man kunne vise at de kunne gjøre noe mer enn å være en tallkalkulator, skapte det entusiasme og oppmerksomhet. Forskere innen kunstig intelligens var i denne perioden heller ikke beskjedne i å forutsi fremtiden og hvordan maskiner ville kunne få nærmest menneskelige egenskaper i løpet av kort tid. En av dem var Herbert Simon, som i 1957 uttalte at maskiner ville kunne bli sjakkmestre innen ti år. Historien viste imidlertid at det skulle ta nær førti år

Hva er kunstig intell.indd 17

11.11.13 19.56

hva er kunstig intelligens

snarere enn ti år før spådommene gikk i oppfyllelse. Utfordringen med kunstig intelligens er at de første prototypene ofte får problemer når de anvendes på et større utvalg av problemer eller vanskeligere problemer. Det har ført til at KI-utviklingen ikke bare har vært en sammenhengende opptur, men også har hatt sine vanskelige perioder. I datamaskinens barndom tiltok den kalde krigen mellom USA og Sovjetunionen. Amerikanske myndigheter var svært opptatt av å kunne oversette russiske dokumenter og vitenskapsrapporter automatisk, og støttet derfor forskning innen språk oversetting. Oversetting ord for ord var ikke så vanskelig, men man innså fort at sammenhengen mellom ord var viktig for riktig oversetting. Dette var ikke så lett å få til, og flere anekdotiske eksempler finnes på utfordringer i oversettelsen. Når utsagnet «ånden er villig, men kroppen er svak» (eng. «the spirit is willing, but the flesh is weak») ble oversatt fra engelsk til russisk og tilbake, ble det til «vodkaen er god, men kjøttet er råttent» (eng. «the vodka is good, but the meat is rotten»). Et annet eksempel er «ute av syne, ute av sinn», som ble til «blind idiot». Det amerikanske forskningsrådet konkluderte etter ti års forskning med at automatisk maskinoversetting var dyrere, mindre nøyaktig og mer langsom enn menneskelig oversetting og kuttet derfor brått finansieringen. Forskningen tok dermed slutt for en god stund. Men maskinoversetting har fått sin renessanse gjennom Google Oversetter. Ved å søke i tekst i dokumenter som tidligere er oversatt av mennesker, finner en maskin frem til beste mulige gjetning på oversetting av det som skal oversettes. Kvaliteten på oversettelsen øker med antallet oversatte dokumenter som er tilgjengelig. Den største KI-nedturen kom i siste del av 1980-tallet etter manglende resultater fra flere større forskningsprogrammer i Japan og USA. Systemene som ble utviklet klarte i liten grad å etterligne menneskelig intelligens. En del av forskningen ble kalt

Hva er kunstig intell.indd 18

11.11.13 19.56

1 kunstig intelligens og intelligente systemer

ekspertsystemer. Disse gikk ut på å representere menneskekunnskap som et sett av regler. Et program ble deretter brukt for å resonnere basert på disse reglene for å finne frem til beste løsning på oppgaven som skulle løses. Det ble støttet av logikkbaserte programmeringsspråk som Lisp og Prolog. Vanlige programmeringsspråk regner hovedsakelig med tall, mens logikkbaserte språk benytter symboler og uttrykk. Siden kunnskap kan representeres med symboler og uttrykk, gjør logikkspråk det mulig å bruke lagret kunnskap til problemløsning. Japanske myndigheter brukte over en periode på ti år frem til 1993 drøye to milliarder kroner på en storsatsing kalt «femte generasjon datamaskin». Den var basert på både ekspertsystemer og massiv parallellprosessering. Målet var å utvikle maskiner som kunne føre samtaler, oversette språk, tolke bilder og resonnere som mennesker. Utbyttet viste seg å være magert, og konseptet bak ekspertsystemer ble ingen stor suksess. Det var tungvint å få lagret all ekspertkunnskapen som regler på grunn av mangel på automatiserte læringsmetoder og fare for alvorlige feil når systemet fikk uvanlige forespørsler. Det ble kuttet sterkt i bevilgningene til KI-forskning for en periode, og begrepet ekspertsystemer ble nærmest begravet. Likevel fortsatte noen med KIforskning, og etter noen år var entusiasmen tilbake igjen etter som nye metoder så dagens lys. De tilbød automatisert læring og generalisering, og som ble programmert i objektorienterte programmeringsspråk som C++. Idet denne boken utgis (2013), foregår det mye KI-forskning både i Norge og i utlandet. Hvem er de som driver denne forskningen videre i dag? Og hva kreves? Grunnlaget for kunstig intelligens er dataprogrammer, og derfor må forskerne ha kompetanse innen utvikling av programvare, eller i hvert fall bruk av programverktøy for simulering av kunstig intelligens. Nå er det mange fagdisipliner som har dette som en del av sin læreplan i dag. Det finnes forskere

Hva er kunstig intell.indd 19

11.11.13 19.56

hva er kunstig intelligens

med bakgrunn innen musikkvitenskap, medisin, økonomi og ikke minst tekniske fag som mekanikk og informasjonsteknologi som nyttiggjør seg metoder innen kunstig intelligens. KI er allsidig når det gjelder utvalget av metoder, som vi skal se i neste avsnitt.

Typer av biologiinspirert kunstig intelligens Det finnes ikke en klart definert grense for hva som kan kalles kunstig intelligens. Det er mange prinsipper hos mennesker og i naturen som kan være nyttige for slike systemer. Hjernens nervenettverk er viktig for å analysere det vi sanser og ser, i tillegg til å utgjøre vår hukommelse. Mens datamaskinen normalt består av kun én eller noen få kraftige prosessorer som utfører instruksjoner og regneoperasjoner, består hjernen av millioner av relativt enkle og langsomme nevroner som sørger for analyse og hukommelse. De jobber samtidig (parallellprosessering), og gjennom et samvirke mellom dem oppnås den effektive «datamaskinen» hjernen er. Kunstige nevrale nettverk modellerer en forenklet og liten del av hjernen, og dette er en viktig metode for læring innen kunstig intelligens. Mye forskning innen dette området er gjort siden den allerede omtalte maskinen med radiorør ble utviklet. Utviklingen av hjernen så vel som hele kroppen er en kompleks celledelingsprosess som starter med en enkelt celle etter unnfangelsen. Det er ganske uforståelig for de fleste av oss hvordan en eneste celle kan inneholde spesifikasjonen for hver enkelt celle som etter hvert skal utvikles i kroppen. Selv om vi nå vet at kodingen ligger i det menneskelige genomet i form av 23 kromosompar, er det mye vi ikke vet om hva som inngår i celledelingsprosessen. Likevel er metoder basert på celledeling og vekst interessante som en del av kunstig intelligens. Hvis vi er i stand til å beskrive et system med byggeregler fremfor en direkte byggebeskri-

Hva er kunstig intell.indd 20

11.11.13 19.56

1 kunstig intelligens og intelligente systemer

velse, vil man gradvis kunne utvikle mer komplekse systemer. Dette kan sammenlignes med å lage en beskrivelse av hvordan man går i en trapp. Det kan enten beskrives direkte med hvordan bestige trinn 1 og deretter trinn 2 inntil vi har gått siste trinn. Problemet med en slik type beskrivelse er at lengden på den øker med antall trinn og vil måtte endres for hver ny trapp. Så en bedre måte er å lage en regel for hvordan ett trinn bestiges og deretter ha en sjekk på om vi er på toppen. Den siste metoden vil være langt mer kortfattet og kan brukes på trapper av forskjellig lengde. Vi mennesker gjennomgår en tilpasning gjennom generasjoner i form av små justeringer som et resultat av evolusjon. Kryssing kombinerer egenskaper ved to individer idet nye lages, og mutasjon introduserer samtidig nye egenskaper. Disse mekanismene har inspirert utviklingen av dataprogrammer for kunstig evolusjon som benyttes til problemløsning og tilpasning til ønsket oppførsel. Hvis vi ser oss rundt i naturen, er det flere andre former for intelligens. Det er imponerende å se hvordan små maur kan bygge en stor tue, og hvordan fisker eller fugler kan bevege seg i flokk. Maur kommuniserer ved å legge igjen luktstoffer langs returruten til maurtuen etter å ha funnet mat. Da vet andre maur hvor det er mat å hente, og de legger selv igjen luktstoffer hvis de også finner mat. Dermed vil styrken på lukten øke med hvor mye mat som er funnet. Når en matressurs har tatt slutt, vil luktstien også gradvis forsvinne, siden maur slutter å legge igjen luktstoffer. Det finnes også metoder innen kunstig intelligens med svakere kobling til biologi. Det er metoder for søk eller optimalisering basert på statistiske egenskaper og mer regelbaserte metoder som casebasert resonnering. Sistnevnte går ut på å løse et nytt problem ved å huske en tidligere lignende situasjon og gjenbruke

Hva er kunstig intell.indd 21

11.11.13 19.56

hva er kunstig intelligens

informasjon og kunnskap om den situasjonen. En bilmekaniker som får inn en bil med tilsvarende symptomer som en bil han reparerte for et par uker siden, benytter casebasert resonnering. Man bygger opp et slikt system ved automatisk å ekstrahere reg ler ut fra treningseksempler. Det finnes et utall forskere i verden innen KI, og mange samles på internasjonale konferanser som dekker ett eller flere av temaene over. KI dreier seg ikke kun om å utvikle et enkelt program eller en maskin, men likeså mye om intelligent samvirke mellom mange enheter.

Desentralisert intelligens og tilpasnings dyktige systemer Vi liker ikke å bli detaljstyrt av andre. Vi vil tenke selv og ta våre egne valg. Heldigvis får vi som voksne i stor grad lov til det. Fra å være barn som i stor grad blir styrt av våre foreldre, blir vi mer og mer selvstendige etter som vi blir eldre. Vi tar oftest våre egne valg, men vi har samtidig medmennesker og et samfunn rundt oss som setter noen normer, lover og begrensninger for hva vi kan foreta oss. Så i noe grad er vi styrt ovenfra gjennom myndigheter og arbeidsgivere. I diktaturer er det som vi alle vet strengere og mer sentralisert styring og kontroll enn i demo kratier. Dagens datamaskiner fungerer som en slags type diktatur ved at de ofte er sentralstyrt. Det kan være flere parallelle datamaskiner som løser et gitt problem innen simulering eller innhenting av bilder fra overvåkingskameraer. Hver maskin regner for seg, men kommandoene for hvordan det skal gjøres er ofte sendt ut av en felles datamaskin. Det er nyttig, for da får vi til en jevn arbeidsfordeling og kan enkelt hente ut svaret etterpå. Problemet er at det setter begrensninger på hvor mange enheter

Hva er kunstig intell.indd 22

11.11.13 19.56

1 kunstig intelligens og intelligente systemer

som kan kobles sammen og koordineres. I dagens samfunn finnes datamaskiner overalt, og vi snakker om desentraliserte systemer. Det betyr at datamaskiner er spredt rundt omkring. Sentral styring og koordinering av dem blir ofte en flaskehals når antallet øker. Et eksempel er overvåkingskameraer der det sitter en datamaskin i hvert kamera. Etter som antall kameraer øker i antall, er det lite hensiktsmessig å tro at en observatør skal kunne holde oversikten over en skjerm for hvert kamera. Kameraene trenger å bli smartere ved å kommunisere seg imellom, for eksempel for å forfølge utvalgte objekter i bevegelse. Fremfor at en sentral datamaskin skal koordinere dette, er det langt bedre at kameraer i et lokalt område selv koordinerer interaksjonen. Da kommer utfordringen med hva slags metoder som skal anvendes for å samkjøre dette. Vi må ha en mekanisme som regulerer hvem som skal bestemme over hvem. Da er det naturlig å skjele til hvordan mennesker og dyr samhandler og er i interaksjon. For vi har jo en rekke ordninger som hjelper oss i hvordan vi samarbeider for å løse fellesoppgaver. Mennesker bruker for eksempel økonomiske mekanismer, og maur bruker luktstoffer. Det finnes en rekke slike prinsipper som gir inspirasjon til nye typer KI-metoder. Vi kommer tilbake til temaet i siste del av neste kapittel. Vi er selv vant med at verden rundt oss endres. Plutselig kan det skje store eller små forandringer i våre liv, og så prøver vi etter beste evne å håndtere dette. Når vi skader oss, reparerer kroppen seg selv hvis skaden ikke er for stor. Datamaskiner har i liten grad slike evner, i hvert fall ikke på egen hånd. Sjansene for at det skal oppstå feil i datasystemer, øker etter som transistorene krymper i størrelse. Så systemer som selv kan korrigere for egne feil eller omgivelsenes endring, vil være nyttige for fremtiden. Eller det kan være brukeren som ønsker å endre funksjonaliteten. Et system må kunne endre seg etter at det er tatt i bruk. Et talegjenkjen-

Hva er kunstig intell.indd 23

11.11.13 19.56

hva er kunstig intelligens

ningssystem må kunne tilpasse seg til nye stemmer, og serviceroboter må klare å håndtere nye oppgaver. KI har, gjennom sin inspirasjon fra naturen og hvordan vi lever i den, potensial til å bidra i utviklingen av tilpasningsdyktige systemer. Omgivelsene kan være i endring, og vi vet ofte ikke i utgangspunktet hvordan de vil komme til å endre seg. Det kan være systemer som er desentralisert og består av et større antall enheter med ulik utforming. Alle disse forholdene finnes i naturen, og der er mye å hente for utforming av robuste og brukervennlige systemer. Det finnes allerede noen eksempler på slike systemer. Mobiltelefoner må ta imot kommandoer fra brukeren og samtidig holde kontakten med beste basestasjon. Den er seg altså bevisst både sin egen tilstand (og dens bruker) og omgivelsene omkring (beste basestasjon). Brukeren kan veksle mellom de forskjellige funksjonene i telefonen, som å snakke i den, høre på musikk, ta bilder og surfe på Internett. Telefonen resonnerer fortsatt i liten grad over hva som er de beste handlingene til enhver tid, men det vil trolig komme mer i fremtiden. Den vil lære hvordan du bruker telefonen og tilpasse alt fra lydstyrke til menyvalg etter det den har erfart at du foretrekker. I fremtiden ser vi for oss at det vil komme en rekke andre slike systemer som hjelper oss med forskjellige oppgaver i dagliglivet. Serviceroboter i hjemmet og selvkjørende biler vil kunne hjelpe oss til henholdsvis å lage sunn mat og redusere både køer og fare for ulykker.

Hvordan utvikle kunstig intelligens? Når vi vokser opp, får vi tilbakemelding fra våre foreldre og andre omkring oss om alt fra hvordan lære å sykle til hva som er rett og galt. Det som er fascinerende med dette, er at læringen er basert på instruksjon på høyt nivå, snarere enn at personene omkring oss har tilgang til å «programmere» våre nevrale nettverk direkte.

Hva er kunstig intell.indd 24

11.11.13 19.56

1 kunstig intelligens og intelligente systemer

Dette i motsetning til datasystemer som er basert på detaljert programmering av virkemåten. Kunstig intelligens og det som også kalles maskinlæring, tilbyr automatiserte læringsmetoder basert på eksempler på ønsket oppførsel, snarere enn detaljprogrammering av virkemåten. Et eksempel kan være ansiktsbilder av personer tatt i forskjellige vinkler for å trene opp et system til å kunne finne ut hvem et ukjent ansikt tilhører. Inspirasjonen fra naturens intelligens blir formulert i såkalte algoritmer. Dette er dataprogrammer, men ofte mer abstrakt formulert enn programkode og basert på ett eller flere grunnprinsipper i naturen. Forskjellen i forhold til naturen er imidlertid at dataprogrammene har en mer kontrollert og aktiv tilbakemelding i læringsprosessen. Mens individer i naturen innbyrdes konkurrerer for å overleve, foretar datamaskinen en systematisk evaluering av hvert løsningsalternativ innen kunstig intelligens. For å gjøre den i stand til dette må det lages et datasett som består av et antall stimulanser til systemet og tilhørende ønskede responser. Algoritmen simulerer så oppførselen for hver tilgjengelig stimulans og beregner hvor mye avvik det er til ønsket respons. Jo mindre avvik, desto bedre egenskaper har nettopp denne versjonen av løsningen. I lærebøker defineres ofte kunstig intelligens som studium og design av intelligente agenter. Det er dermed et annet ord for intelligente systemer. En intelligent agent er et dataprogram som observerer og sanser i sine omgivelser og prøver å handle slik at det oppnår størst mulig grad av suksess med hensyn til den oppgaven det er satt til å løse. Med omgivelser menes det området agenten ferdes i sammen med andre agenter. Det er i et abstrakt eller fysisk terreng der det kan være hindringer. Agenten består av en funksjon som angir handlingen som systemet skal gi som respons på en gitt sanset hendelse. Et slikt system oppfatter omgivelsene gjennom sensorer og handler i omgivelsene med aktua-

Hva er kunstig intell.indd 25

11.11.13 19.56

hva er kunstig intelligens

torer. Et menneske har øyne, ører og andre sanser som sensorer og armer, ben, taleorganer osv. som aktuatorer. For en vanlig datamaskin er tastatur og mus sensorene og skjermen er aktuatoren. I en robot vil sensorene være kamera, radar, mikrofon osv., mens aktuatorene er motorene som får den til å bevege seg. Oppførselen til systemet er spesifisert i funksjonen. Den er derfor viktig for hvor intelligent systemet blir. Den blir utformet og tilpasset gjennom en læringsfase. I mange tilfeller vil funksjonen være angitt i form av et program, men den kan også være maskinvare (elektronikk). Det siste er spesielt av interesse når det er mange sensorer og aktuatorer. Da er regnebehovet ofte stort, og mange tilkoblinger er nødvendig. Programmerbar logikk er en type maskinvare som kan programmeres som en prosessor. Den utfører derimot ikke en sekvens av instruksjoner, men konfigurerer elektroniske komponenter som jobber parallelt for å utføre den ønskede oppgaven. Hva er så typisk for omgivelser? De er alt fra statiske der alt er kjent på forhånd, til dynamiske der objekter og utforming er i konstant endring. Det enkleste å forholde seg til er statiske omgivelser. De fleste omgivelser er likevel dynamiske, og KI-systemer lages ofte for å kunne håndtere endringer i omgivelsene. Endringene er i form av forutsigbare eller ikke-forutsigbare endringer. Graden av autonomi (selvstendighet) til systemet bestemmer hvor gode evner det har til å tilpasse seg til endringene ved egen sansing og tilpasning ut over opprinnelig lært kunnskap. Et system som kan fungere uten eller med begrenset menneskelig styring eller kontroll, kalles et autonomt system. Eksempler er førerløse ubåter eller fly, som kan navigere uten menneskelig fjernstyring. På den ene siden ønsker vi å utvikle mest mulig autonome systemer, samtidig som det da stilles større krav til at systemet kan håndtere uforutsette hendelser og ikke påfører sine omgivelser skade.

Hva er kunstig intell.indd 26

11.11.13 19.56

1 kunstig intelligens og intelligente systemer

En viktig egenskap i denne sammenhengen er evnen vi har til generalisering, som betyr at vi kan forstå ting selv om vi ikke har lært det eksakt slik det presenteres. Vi kan gjenkjenne tale fra personer vi ikke har hørt snakke før, selv om de har noe ulik dialekt eller uttale. Vi gjenkjenner folk vi kjenner selv om de har endret hårfrisyre, startet å bruke briller osv. Det er et mål at intelligente systemer også skal ha slike evner. Hvor godt de generaliserer testes normalt ved å bruke et eget datasett som ikke har vært brukt i treningsfasen. Dette kapittelet har kun gitt en kort introduksjon til kunstig intelligens. Vi fortsetter i de etterfølgende kapitlene med å gå mer detaljert inn på metodikken bak de mest sentrale teknikkene som finnes.

Videre lesning

Russell, Stuart og Norvig, Peter. 2010. Artificial Intelligence: A Modern Approach (tredje utgave). Pearson, New Jersey. Boken gir en svært grundig introduksjon til mange av temaene i dette kapittelet. Dette er en introduksjonsbok om kunstig intelligens som brukes ved over 1200 universiteter i over 100 land. Den har vært et viktig grunnlag for alle kapitlene i denne boken. Nilsson, Nils J. 2010. The Quest for Artificial Intelligence − A History of Ideas and Achievements. Cambridge University Press. Boken gir en grundig oversikt over den historiske utviklingen av KI, og den finnes også fritt tilgjengelig på nettet her: http://ai.stanford. edu/~nilsson/QAI/qai.pdf. Whitby, Blay. 2008. Artificial Intelligence: A Beginner's Guide. Oneworld Publications. Boken gir en lettfattelig introduksjon til kunstig intelligens.

Hva er kunstig intell.indd 27

11.11.13 19.56

9788215020211.qxd:Layout 1

12-11-13

13:20

Side 1

ISBN 978-82-15-02021-1

Jim Tørresen

KUNSTIG INTELLIGENS

hva er

hva er KUNSTIG INTELLIGENS Jim Tørresen