Katedra aplikovanej informatiky FMFI UK: Tam, kde sa učia odbory budúcnosti

Stratená uprostred bludiska matfyzáckych chodieb, míňajúc početné nástenky a postery, ktorým nerozumiem, hoci sú zväčša v slovenčine. A vonku leje. Metaforu, ktorá by vernejšie priblížila môj vzťah k dávnym časom gymnaziálnej matematiky a fyziky, by som hľadala asi márne. Netreba sa preto diviť, že som mala pred návštevou vybraného pracoviska Fakulty matematiky, fyziky a informatiky UK značný rešpekt. Našťastie, okrem cesty do pracovne profesora Igora Farkaša, vedúceho katedry aplikovanej informatiky (KAI), som v nej napokon našla aj ochotného odborníka naučeného komunikovať s laikmi.


24. 01. 2020 09.21 hod.
Od: Erika Hubčíková

Skladajúc pokazený dáždnik si sadám do kresla a kladiem profesorovi Farkašovi prvú kontaktnú otázku na rýchle zorientovanie sa: Na čo sa zameriava vedecká činnosť katedry? Zisťujem, že sú to najmä tieto oblasti: počítačová grafika a počítačové videnie, umelá inteligencia a výpočtové modelovanie, bioinformatika, reprezentácia znalostí, robotika a teória programovania. I keď tuším, že ich v priebehu pár minút všetky prekuknúť nestihnem, o strohé pochopenie základných problémov niekoľkých z nich sa aspoň pokúsim.

Keď sa pýta laik

Začíname počítačovým videním. „Cieľom počítačového videnia je skúmať a vyvíjať technológie umožňujúce strojom vidieť, pričom pod slovom ,vidieť‘ mám na mysli schopnosť vyťažiť z obrázka informácie dôležité na vyriešenie danej úlohy. Stroj teda nemá len niečo zaregistrovať, ale musí to vedieť aj identifikovať, na čo sa vlastne pozerá. Hoci sa to nezdá, je to pomerne komplexná úloha,“ vysvetľuje mi Igor Farkaš. Ako dodáva, počítačové videnie je istým spôsobom opakom počítačovej grafiky, pretože zatiaľ čo počítačové grafika vytvára obrazové dáta z 3D modelov, počítačové videnie často produkuje 3D modely z obrazových dát. „Existuje aj smer spájajúci obe disciplíny, ktorý sa nazýva zmiešaná realita. Je to oblasť počítačového výskumu zaoberajúca sa kombináciou reálneho sveta a počítačom generovaných dát, t. j. virtuálnej reality, kde sú počítačom generované syntetické objekty vmiešavané do reálneho prostredia a naopak, a to v reálnom čase,“ objasňuje.

Kde všade sa vlastne počítačové videnie využíva? „To uplatnenie je naozaj široké. Pri spracovaní medicínskych dát, napríklad pri detekcii tumorov, ale i v priemysle, kde sa prostredníctvom strojového videnia zabezpečuje kontrola kvality či optické triedenie – stroj trebárs roztriedi jablká podľa farby. Bez počítačového videnia sa nezaobíde ani konštrukcia rôznych autonómnych zariadení, ktoré ho využívajú na navigáciu, t. j. určenie polohy, vytvorenie mapy prostredia či detegovanie prekážok. Práve tomu sa venujú kolegovia v našom laboratóriu autonómnej mobility,“ približuje.

Umelá inteligencia – tu si už viem vďaka katastrofickým sci-fi filmom z hollywoodskej produkcie predstaviť niečo konkrétne. Z úvah o robotoch, ktoré si veľmi voľne vysvetľujú prvý zákon robotiky, ma späť do reality dostane trpezlivý hlas profesora Farkaša. „Umelá inteligencia je interdisciplinárna vedná oblasť, ktorá kombinuje znalosti z matematiky, teoretickej informatiky a formálnej logiky,“ dozvedám sa. Ako to funguje? „Využíva rôzne metódy strojového učenia, pričom pracuje napríklad na báze neurónových sietí. Tie sú inšpirované mozgom človeka, ktorý tvorí – veľmi zjednodušene povedané – obrovská sieť navzájom prepojených neurónov. Aj umelé neuróny sú poprepájané spojeniami, vďaka ktorým komunikujú. Práve takto fungujúca sieť zabezpečuje napríklad aj to videnie stroja, ktoré som spomínal,“ dozvedám sa. K jej úlohám patrí tiež rozpoznávanie a spracovanie reči a jazyka, adaptácia a učenie, automatické plánovanie, riešenie úloh úvahou či expertné systémy. Čo je v tejto oblasti najväčšou výzvou? „Jednou z výziev je biologicky inšpirovaná umelá inteligencia zameraná na interakciu s človekom. Práve interakcia robot – človek má veľkú budúcnosť,“ odpovie po chvíli Igor Farkaš, ktorému je práve táto téma veľmi blízka. S úsmevom si spomenie, ako do jedného školského dotazníka ešte ako 10-ročný napísal, že by chcel byť buď matematik, alebo neurochirurg. Už vtedy ho totiž (zrejme) fascinoval ľudský mozog. „Vlastne som to celkom dobre trafil. Pohybujem sa totiž v oblasti výpočtového modelovania, za tým je matika, a v oblasti umelých neurónových sietí, inšpirovaných mozgom,“ usmieva sa.

A čo robotika? Keďže praktická ukážka tromfne všetku teóriu, spoločne vchádzame do Future Technologies Lab, ktoré združuje robotické laboratórium a laboratórium počítačového videnia a virtuálnej reality. Tu nás čaká doktor Pavel Petrovič, ktorý v rámci výučby so študentmi pracuje hneď na viacerých robotických projektoch a, ako sa neskôr dozvedáme, ako nadšenec robotiky trávi veľa času aj prácou s mládežou či propagáciou robotiky na rôznych fórach.

Ako ožívajú roboty

S kolegom fotografom nám ako prvý padol do oka humanoid poskladaný z drevených dielov vyrezaných laserom. Dozvedáme sa, že robot sa volá lIllI (čítaj: Lili) a navrhol ho jeden nórsky dizajnér, ktorý ho následne odprezentoval na podujatí Maker Faire vo Viedni. (Úchytkom googlim, o čo ide: Maker Faire je najväčšia svetová prehliadka inovácií, kreativity a dômyselnosti domácich majstrov všetkých generácií. Tento rok v novembri sa po prvýkrát konala aj na Slovensku.) Keďže ide o tzv. open source model, je široko dostupný. „Ďalšou výhodou je, že je pomerne lacný – zatiaľ nás stal cca 1200 eur –, pričom stačí aj na experimenty, ktoré vyžadujú, aby mal robot telo podobné človeku. lIllI dokáže – okrem prstov na rukách a nohách – hýbať všetkými kĺbmi,“ vysvetľuje Pavel Petrovič. Jednotlivé diely na katedru prišli v septembri 2018, robota spolu so študentmi poskladali na pravidelných stretnutiach aplikovaného robotického seminára počas semestra (o tom, ako lIllI prišla na svet, existuje dokonca webová stránka, ktorá jej pokroky podrobne mapuje) a odvtedy ho neustále vylepšujú. Momentálne humanoid (prvý na katedre!) už disponuje softvérom, vďaka ktorému mu študenti vedia naeditovať postupnosť pohybov, takže zvládne aj jednoduché tanečné choreografie, sám si k tomu zahrá melódiu a vie povedať aj pár slov. Na hrudi má gyroskop – súčiastku, ktorá ho „informuje“ o tom, ako je naklonený, vďaka čomu mení polohu ťažiska a vie sa vybalansovať. „Najnovšou vychytávkou je, že naozaj vidí, teda disponuje stereo kamerami, ktoré sú schopné urobiť hĺbkovú mapu. Takže keď pred lIllI položíme napríklad kocku, vie už zistiť, v akej vzdialenosti sa nachádza, o akú kocku ide a na základe zadania potom vie smerom k nej vyvíjať pohyb. I keď na tomto algoritme musí študent ešte popracovať, lebo lIllI zatiaľ nerobí analytický výpočet. Demonštruje to však to, že oči sú prepojené s riadením a celý proces je zvládnutý,“ približuje.

„A toto je čo?“ pýtam sa, ukazujúc na fialové čudo uprostred čiarového bludiska. „To je robot 100(1+1), ktorého erasmáci z Portugalska naprogramovali tak, aby sa vedel dostať z bludiska a zároveň zmapoval svoju cestu,“ odpovedá. „Pri prechode bludiskom totiž môžete úspešne použiť pravidlo pravej ruky, ale len vtedy, ak do bludiska vchádzate. Ak sa zrazu zobudíte uprostred bludiska, pravidlo pravej ruky vám nemusí byť nič platné, môže sa totiž stať, že budete chodiť v kruhu a nedostanete sa von. Ak si však začnete robiť mapu, máte šancu na úspech. A to je presne ten algoritmus, ktorý tu erasmáci úspešne zvládli naprogramovať. Robota môžete v bludisku odštartovať hocikde a vždy sa dostane von,“ vyzdvihuje Pavel Petrovič prednosti robota 100 (1+1), za ktorého názvom sa ukrýva slovná hračka: sto + pár.

Mimoriadne fotogenický je aj malý robot Otto. Tvorí ho telo vytlačené na 3D tlačiarni doplnené servisnými motorčekmi a riadiacou elektronikou. Minulý rok si ho mohli skonštruovať 11- až 15-ročné decká na dennom tábore digitálnych technológií vo FabLabe vo Vedeckom parku UK. Otto dokáže kráčať, zvládne jednoduché tanečné kreácie, vie pozdraviť, pípnuť či prehrať rôzne melódie, a to na základe pokynov, ktoré mu malí programátori nakódili cez riadiaci program. Ten umožňuje priame riadenie robota aj cez Bluetooth, takže sa dá úkolovať cez viaceré zariadenia.

Zameraní na multidisciplinaritu

Študenti ktorých študijných programov vlastne prejdú rukami vyučujúcich na KAI? „Študenti informatiky, aplikovanej informatiky, počítačovej grafiky a geometrie, ale i bioinformatiky a medzinárodného magisterského študijného programu kognitívna veda, ktorý sa vyučuje v anglickom jazyku,“ dostane sa mi odpovede.

Pri kognitívnej vede spozorniem. Znie to múdro, čo to však vlastne je? Kognitívna veda sa zaoberá skúmaním ľudskej kognície – procesov vnímania, poznávania, myslenia, reprezentácie poznatkov, učenia sa, rozhodovania, konania, a tým, ako sú tieto procesy realizované v mozgu,“ vysvetľuje Igor Farkaš, ktorý je jej garantom. Ani toto neznie zle, ale ako sa to prejavuje v obsahovej náplni študijného programu? A prečo sa to učí na Matfyze? „Tento program sa naozaj vyznačuje veľkou interdisciplinaritou - využíva poznatky a metódy psychológie, umelej inteligencie, neurovedy, lingvistiky, filozofie a ďalších vedeckých disciplín. Preto od začiatku – od roku 2005 – aktívne spolupracujeme aj s odborníkmi z ďalších fakúlt našej univerzity (lekárskej, filozofickej, fakulty sociálnych a ekonomických vied), ako i z iných vedeckých pracovísk (SAV). A presne preto je kognitívna veda otvorená aj pre absolventov spomenutých odborov na bakalárskom stupni,“ odpovedá. Takže kognitívnu vedu môžem ísť študovať aj vtedy, keď mám bakalársky diplom z psychológie či filozofie a neviem nič o programovaní? „Áno, presne tak. Napríklad aktuálne tu máme informatikov, psychológov, lingvistov, filozofov, ekonóma aj biológa. Program je zostavený tak, aby študenti v prvom semestri získali spoločný základ a doplnili si poznatky z disciplín, ktoré neboli predmetom ich bakalárskeho štúdia,“ objasňuje. To musí byť celkom výzva. Či? „Samozrejme, a to pre študentov aj pre nás,“ priznáva. Absolventi spoločenskovedných a humanitných odborov si potrebujú doplniť najmä poznatky z matematiky a informatických predmetov, absolventi informatických, prírodovedných, resp. technických odborov sa zas musia doučiť základy z psychologických predmetov a metodológie empirických vied. „No učiť sa istým spôsobom musíme aj my. Napríklad ja v rámci programu vyučujem predmet úvod do výpočtovej inteligencie. Špeciálny dôraz kladiem na konceptuálnu úroveň vysvetlenia , ale aj formalizáciu rôznych mechanizmov strojového učenia, čo ich umožňuje nielen exaktnejšie uchopiť, ale takto získané výpočtové modely ďalej aplikovať v podobe inteligentných technológií. A keďže je mojou úlohou vysvetliť to aj študentom s netechnickým vzdelaním, musím zmeniť jazyk – človek zrazu začne vo väčšej miere používať metafory, analógie, prirovnania,“ približuje. Ako však vzápätí dodáva, je to zároveň aj veľmi obohacujúce: „Ako učiteľ si tak vždy pripomeniem známy výrok: ,Ak to nevieš vysvetliť jednoducho, potom tomu dostatočne nerozumieš.‘“

Je presvedčený, že pre študentov je i tá rozmanitosť skvelou príležitosťou na rozvoj. „Každý z nich má iné odborné pozadie, navyše tu máme aj zahraničných študentov. Sú tak nútení naučiť sa spolu komunikovať, čo podporuje ich schopnosť spolupracovať v multidisciplinárnych výskumných a vývojových tímoch,“ vyzdvihuje plusy programu. Tým sa však výpočet jeho výhod nekončí. Magisterský program kognitívna veda je totiž spoločným a koordinovaným projektom konzorcia štyroch stredoeurópskych univerzít: Viedenskej univerzity, Univerzity v Ľubľane, Univerzity Loránda Eötvösa v Budapešti a UK. „Študenti majú v rámci štúdia povinnú zahraničnú mobilitu – tretí semester musia ísť von, na jednu z univerzít konzorcia,“ pochvaľuje si. Okrem toho už v druhom semestri získavajú cennú skúsenosť – výstup svojho ročníkového projektu vo forme posteru prezentujú na každoročnej medzinárodnej konferencii MEi:CogSci. V druhom ročníku tam prezentujú už svoju diplomovú prácu.

A kde sa absolventi kognitívnej vedy vlastne uplatnia? „Kognitívna veda je potrebná všade tam, kde treba pochopiť ľudské myslenie a rozhodovanie v konkrétnych situáciách, a čoraz viac aj tam, kde sa ľudské myslenie stretáva a interaguje s umelo vytvorenými inteligentnými technológiami,“ hovorí. Napríklad? „Pri navrhovaní systémov určených na user-friendly interakciu s človekom – trebárs v oblasti ergonomického dizajnu či vytváraní webových stránok. Alebo v empirických oblastiach výskumu, ako sú psychológia, neuroveda a lingvistika, kde treba navrhovať, testovať a vyhodnocovať behaviorálne experimenty s využitím štatistickej analýzy, interpretácie dát a podobne,“ dodáva.

Katedra v spolupráci s Prírodovedeckou fakultou UK realizuje aj ďalší interdisciplinárny študijný program (tentokrát bakalársky): bioinformatiku. Za jeho vznikom stojí docent Tomáš Vinař z KAI. Čo si pod bioinformatikou mám predstaviť? Bioinformatika je vedné odvetvie na rozhraní informatiky a biológie, kde sa pomocou výpočtových analýz, matematických a štatistických metód snažíme vyriešiť problémy v oblasti biológie,“ vysvetľuje. Bioinformatika zažíva rozmach najmä vďaka novým technológiám, ktoré umožňujú získať veľké množstvo dát o genetickej informácii uloženej v DNA jednotlivých organizmov, ako aj o tom, ako táto informácia ovplyvňuje fungovanie buniek živých organizmov. Bioinformatické nástroje sú nevyhnutné na spracovanie týchto dát a tvoria neodmysliteľnú súčasť výskumu v moderných biologických a medicínskych vedách. Pre koho je tento študijný program určený? „Bioinformatika je vhodná najmä pre študentov, ktorí sa zaujímajú o matematiku alebo informatiku a súčasne o biológiu alebo medicínu. Program im umožní rozvíjať obe tieto oblasti ich záujmu a súčasne nájsť medzi nimi zmysluplné prepojenie,“ odporúča.

Tomáš Vinař má okrem bioinformatiky veľký podiel aj na založení dátovej vedy na UK, ktorá od ak. roka 2020/2021 rozšíri fakultnú ponuku bakalárskych študijných programov. „Bude to prvý program s týmto zameraním na Slovensku, čím reflektujeme na vysokú spoločenskú potrebu expertov s týmto zameraním. Neskôr plánujeme otvoriť aj magisterský program – od ak. roka 2023/2024,“ približuje. Prečo potrebujeme expertov na dátovú vedu? V 21. storočí zohrávajú dáta v digitálnej ekonómii podobnú úlohu, akú zohralo uhlie v 18. storočí pri rozvoji priemyslu. Obrovské množstvá dát nám umožňujú využívať a rozvíjať nové generácie technologických riešení, ako sú strojové učenie, umelá inteligencia, pokročilá štatistika, prediktívna analýza správania používateľov, zákazníkov či trhov. Navyše, analýza veľkých dát je kreatívna a zaujímavá činnosť. Študijný program dá absolventom unikátnu kombináciu matematických znalostí a praktických informatických zručností,“ hovorí. Dáta sú dôležité vo všetkých sektoroch a na všetkých úrovniach organizácií, a to aj mimo IT priemyslu: v bankovníctve a financiách, automobilovom priemysle, zdravotníctve, doprave, obchode, energetike, hernom priemysle, štátnej správe či nových oblastiach vedy. Absolventi budú mať preto flexibilné možnosti uplatnenia: dátový analytik, dátový vedec, špecialista na vizualizáciu dát, štatistik, programátor, analytik veľkých dát či špecialista na modelovanie,“ dodáva.

Výskum pre ľudí

Katedra sa vďaka Tomášovi Vinařovi môže pochváliť nielen zastúpením v špičkovom tíme INFO-BIO-FUN, ktorý sa venuje bioinformatike a funkčnej analýze biologických systémov, ale aj výskumným projektom v rámci programu Horizont 2020. Projekt „Pan-genome Graph Algorithms and Data Integration“ bude riešiť konzorcium šiestich pracovísk vrátane KAI. K zaujímavým výskumom, ktorým sa tím docenta Vinařa aktuálne venuje, patrí aj vývoj softvéru pre vreckové sekvenačné prístroje. Tie umožnia osekvenovať genóm z odobratej vzorky priamo počas vyšetrenia u lekára. Čo to znamená? „Napríklad to, že na to, aby váš zubár zistil, či nemáte narušenú mikroflóru v ústach, mu bude stačiť spraviť vám jednoduchý výter z úst a vložiť vzorku do vreckového sekvenačného prístroja. O pár minút bude poznať jej zloženie,“ približuje a dodáva, že metóda by sa mohla zaviesť do praxe už v horizonte piatich rokov. Podobným spôsobom bude pomocou takéhoto sekvenačného prístroja možné veľmi rýchlo analyzovať pôvod nákaz napríklad v nemocniciach, ktoré bojujú s rozšírením rezistentných baktérií. Metóda by mohla byť prínosom aj pre všeobecných lekárov, ktorí dnes nemajú možnosť rozlíšiť, či pacient trpí vírusovým alebo bakteriálnym ochorením inak ako prostredníctvom laboratórnej analýzy alebo CRP testu. Ten však na rozdiel od sekvenačného prístroja nedokáže identifikovať konkrétneho pôvodcu nákazy.

Zaujímavú tému rieši aj APVV projekt „Vylepšovanie kognície a motorickej rehabilitácie s využitím zmiešanej reality“. Tím z KAI na ňom spolupracuje s Ústavom merania SAV a Technickou univerzitou v Košiciach. Projekt, ktorý sa orientuje na zdravých jedincov a na hemiparetických (čiastočne ochrnutých) pacientov po cievnej mozgovej príhode, testuje dve hypotézy. „Po prvé chceme zistiť, či kognitívny tréning s využitím vhodne nadizajnovaného prostredia zmiešanej reality zlepší percepčné a kognitívne vlastnosti zdravých jedincov. Po druhé testujeme hypotézu, či skúsenosť s trénovaním v zmiešanej realite zlepší oscilačné senzomotorické rytmy u pacientov. V obidvoch prípadoch pracujeme na dizajne a implementácii testovacích procedúr, vykonávame experimenty a kriticky budeme vyhodnocovať výsledky s cieľom validácie dizajnov,“ približuje vedúci projektu Igor Farkaš, ktorý spolu s kolegyňou doktorkou Barborou Cimrovou v rámci výskumu zabezpečuje chod kognitívneho laboratória pre behaviorálne experimenty a EEG merania, fungujúceho priamo na katedre.

Konzorcium šiestich pracovísk vrátane tímu z KAI pod vedením docenta Martina Homolu pracuje na projekte „Cosmic Ray Extremely Distributed Observatory (CREDO) – Innovation & Education“. Projekt má za cieľ budovanie infraštruktúry a používateľskej základne pre najväčší teleskop na pozorovanie kozmického žiarenia, ktorý svojimi mobilnými telefónmi pomocou aplikácie CREDO Detector vytvárajú tisícky astronomických nadšencov - občianskych vedcov. KAI zodpovedá za vytvorenie sémantickej dátovej vrstvy, ktorá umožní získané dáta zdieľať na ďalšie analýzy pre širšiu odbornú aj občiansko-vednú verejnosť.

Portfólio aktivít katedry je však aj mimo množstva rôznych výskumov naozaj bohaté. KAI sa napríklad pravidelne podieľa na organizovaní česko-slovenskej konferencie Kognícia a umelý život. Ide o etablované vedecké interdisciplinárne podujatie s takmer 20-ročnou tradíciou, ktoré vytvára priestor na prezentáciu výsledkov práce odborníkov z Česka a Slovenska zaujímajúcich sa o rôzne aspekty a metódy skúmania kognície, či už v živých, alebo umelých systémoch. Katedra zabezpečuje tiež pravidelné semináre z umelej inteligencie, kognitívnej vedy, robotiky a pokročilej počítačovej grafiky. Podieľa sa aj na organizácii seminárov v rámci Robotika.SK. Prestížnou perličkou je to, že na budúci rok bude organizovať aj svetovú konferenciu ICANN (International Conference on Artificial Neural Networks) v Bratislave.

Študenti sa tu učia od najlepších

Na záver nesmie chýbať tradične náročná otázka pre vedúceho pracoviska: Čo považuje za najväčší úspech katedry? Chvíľka ticha. Úraduje matfyzácka skromnosť. Napokon to príde: „Na našej katedre vyučujú vynikajúci učitelia, čo nám dlhodobo potvrdzujú  výsledky študentskej ankety i viaceré ocenenia: doktor Andrej Blaho, doktor Peter Borovanský, doktor František Gyárfáš, docent Ján Rybár, ale aj mladší kolegovia, ako napríklad docent Martin Takáč. Ozdobou katedry je už niekoľkokrát spomínaný bioinformatik docent Tomáš Vinař, ktorý je spoluautorom viacerých článkov publikovaných v Nature. V novembri sa dokonca stal držiteľom prestížneho ocenenia ESET Science Award 2019 v kategórii Výnimočný vysokoškolský pedagóg.“ O kvalite katedry svedčí aj to, že sa im podarilo prilákať naspäť hneď niekoľkých svojich šikovných absolventov, ktorí dovtedy pôsobili na prestížnych univerzitách v zahraničí. Okrem Tomáša Vinařa, ktorý absolvoval doktorandské štúdium v Kanade a postdoktorandský pobyt na Cornellovej univerzite v USA, to je profesorka Ľubica Beňušková, ktorá študovala aj v USA a 13 rokov pôsobila na Univerzite Otago v Dunedine na Novom Zélande, a profesor Roman Ďurikovič, ktorý sa vrátil z Univerzity v Tokiu. Igor Farkaš však v sebe nezaprie ani zapáleného učiteľa. „Ako veľký úspech však vnímam i to, že na katedre ponúkame jedinečné multidisciplinárne študijné programy a tešíme sa podpore fakulty i univerzity. Učíme študijné programy, ktoré majú perspektívu,“ hovorí s hrdosťou v hlase.

Zaujímavé príbehy, fakty, rozhovory a reportáže nájdete v každom čísle časopisu Naša univerzita