Student Natuurkunde ontdekt hoe je materialen een langetermijngeheugen kunt geven
Kan je superslimme materialen ontwerpen die een langetermijngeheugen hebben en daarom in staat zijn om te leren? Dat is wat bachelorstudent Natuurkunde en Wiskunde Daan de Bos probeerde te achterhalen tijdens zijn scriptieonderzoek. Bij het toepassen van theorieën uit machine learning op materialen moest hij meerdere hobbels overwinnen. Het leverde een theorie op die werkt en nu verder getest kan worden op echte materialen in labs.
Zelflerende materialen moeten twee dingen kunnen: berekeningen uitvoeren en tegelijk leren van deze berekeningen. Het materiaal kun je zien als een systeem met heel veel parameters dat allerlei waarden kan aannemen, een soort mengpaneel met heel veel knopjes. Deze ‘informatie’ – de stand van alle knopjes – moet ook worden opgeslagen, anders ‘vergeet’ het materiaal weer wat het geleerd heeft en vertoont het niet meer het gewenste gedrag. Tijdens het leren stelt het materiaal idealiter zelf deze parameters steeds beter in op de waarden die de gewenste eigenschappen geven.
Hoe combineer je twee processen die elkaar in de weg zitten?
Als je een zelflerend systeem simuleert met een computerprogramma, dan kunnen de twee activiteiten ‘berekenen’ en ‘leren’ heel goed naast elkaar bestaan. Maar bij materialen bleek als snel dat deze twee processen elkaar tegen kunnen werken. ‘Wij hebben dit opgelost door de twee verschillende processen op andere tijdschalen te laten plaatsvinden. De processen die de informatie verwerken hebben we veel sneller gemaakt dan de processen die de parameters aanpassen’, legt Daan uit.
Hij heeft met een combinatie van wiskundige technieken en computersimulaties het model uitgebreid geanalyseerd en ontdekte dat het op deze manier wel werkt. ‘Voor zover wij weten is dit het eerste voorbeeld van een model dat dit principe gebruikt’. Daan en zijn docent Marc Serra Garcia schrijven op dit moment een artikel over hun resultaten. Hun theoretische model kan ook in andere materialen gebruikt worden om ‘leren’ beschrijven.
Presenteren voor experts bij natuurkunde instituut AMOLF
Halverwege het project vroeg docent Serra Garcia aan Daan of hij een presentatie wilde geven bij de tweewekelijkse seminaria van natuurkunde instituut AMOLF. Een spannend moment voor Daan: ‘Gelukkig houd ik van presenteren, dus dat wilde ik wel.’ Dit type voordrachten worden normaal gesproken alleen door promovendi en postdocs gehouden, maar Serra Garcia had zoveel vertrouwen in het project van Daan dat hij het graag wilde delen met zijn collega’s binnen AMOLF. ‘Het was een geweldige ervaring om voor een groep wetenschappers te staan en hen iets uit te leggen. Dat is toch heel wat anders dan presenteren voor een groep medestudenten. Je komt niet weg met details onder het tapijt schuiven of onzin verkopen. Het dwingt je om grondig voorbereid te zijn en echt te begrijpen waar je het over hebt’.
Met natuurkunde alles uit willen rekenen
Daan was al vroeg geïnteresseerd in natuurkunde. ‘Ik kan me nog precies het moment herinneren waarop ik voor het eerst het woord ‘natuurkunde’ hoorde en weet nog goed dat ik toen al het gevoel had daar alles over te willen leren. Dat was ergens in de laatste jaren van de basisschool. Mijn vader vertelde me hoe hij in militaire dienst de kogelbanen van tankgranaten uitrekende. Hoe bedoel je uitrekenen? Wat heeft rekenen hier nou weer mee te maken? En hoezo kan je überhaupt voorspellen waar een kogel precies gaat landen? Ik moest en zou dit tot op de bodem uitzoeken’, vertelt een enthousiaste Daan. De fascinatie voor het kunnen voorspellen van de wereld om je heen, heeft hem nooit meer losgelaten.
Inkijkje in de academische wereld
Daan kan een hele lijst met dingen opnoemen die hij geleerd heeft tijdens zijn bachelorproject. ‘Hoe een onderzoeksgroep functioneert, hoe een subsidieaanvraag eruitziet, hoe je vakliteratuur opzoekt en leest, hoe je een wetenschappelijke presentatie geeft, hoe je een artikel schrijft en figuren op een professionele manier vormgeeft’. Ook heeft hij voor het eerst een conferentie bezocht.
Daan is erg enthousiast geworden over een wetenschappelijke carrière. ‘Ik ga waarschijnlijk mijn master afmaken in Leiden. Daarvoor ben ik nu al op zoek naar een leuk project. Daarna wil ik waarschijnlijk ook een PhD gaan doen. Het ultieme doel is om m’n brood te verdienen met onderzoek en te werken aan de universiteit’.