Eesti IT Tippkeskus EXCITE (2021)

Page 1

Eesti IT Tippkeskus



TERVITUS

H

ea lugeja, sinu ees on Eesti IT-teaduse tippkeskuse EXCITE väljaanne, mis on valminud teadlaste ühise pingutuse tulemusena ja eesmärgiga heita pilk tippkeskuse tegemistele. Siinsete lugude kaudu püüavad EXCITE juhtivad tippteadlased suhelda ühiskonnas kõigiga, keda informatsiooni- ja kommunikatsioonitehnoloogia (IKT) valdkonna tulevik ja teadus puudutab – ettevõtjate, (teadus)poliitika kujundajate, aga ka teiste valdkondade teadlaste ja „tarkade tellijatega” nii riigi kui ka üksikisiku tasandil. Aga miks mitte ei võiks see olla ka raamat öökapil emadele-isadele, vanaemadele-vanaisadele, kes neid lugusid üksi või koos laste ja lastelastega – meie tuleviku digimaailma kodanikega – enne uinumist loevad? Püüdes näha maailma avaramalt, tuleb tunnistada, et IKT ei ole enam ammu „asi iseeneses”, vaid „objektiivne paratamatus”. Seda näitas ka viimane pandeemiaolukord, milles info usaldusväärsus ja kättesaadavus olid sageli võtmeteguriteks keerulistes olukordades otsustamiseks ning käitumiseks. Elame kõik modernses, üha globaliseeruvamas infoühiskonnas ja meie igapäevategevused on tihedalt IKT-ga läbi põimunud – ilma et ise seda sageli märkaksimegi, puudutab see rohkem või vähem kõiki. Ka 30-aastast isa Toomast ja 5-aastast tütar Emmat, kes on teejuhtideks sellel avastusretkel tulevikudigiühiskonda. Tippteadlased on neis lugudes kirjutanud oma rõõmust ja vaimustusest põnevate uurimisteemade ning väljakutsete üle, heites valgust digimaailma telgitagustesse, teadlaste koostöö võlust ja valust nii uurimisgruppides kolleegidega kui ka ettevõtetega, aga ka murest (e-)ühiskonna ja selle liikmete turvalisuse, privaatsuse, vaimse tervise ning tippteaduse tuleviku pärast. Loodetavasti panevad need lood lugejat imestamagi, kui palju erinevaid külgi IKT tippteadusest see väljaanne sisaldab. Ehk tajub lugeja sotsiaal-majanduslikku dilemmat ressursside piiratusest ning tippteaduse olemasolu ja jätkusuutlikkuse tagamise paratamatusest innovatsioonil põhinevas tulevikuühiskonnas.

naatorile, kes suutis nelja esimese tegutsemisaasta jooksul tippkeskuse koos uurimisgruppideüleste ühisdoktorantidega väga hästi käima lükata. Tänusõnad ka väljaande idee autorile, EXCITE nõukogu liikmele Marlon Dumas’le, ja teistele igakülgselt ideed toetanud EXCITE nõukogu liikmetele Peeter Lauale, Tarmo Uustalule, Jaak Vilole, idee materialiseerumisele kaasa aidanud Anne Muldmele, Epp Joalale, Jaanus Joasoole Tallinna Tehnikaülikoolist, kõigile tekstide ja piltidega panustanud tippkeskuse EXCITE tippteadlastele ning AS Ekspress Meedia usinale meeskonnale. Kindlasti tasub tekstidest otsida visionäärlikku kaemust digiühiskonna väljakutsetele. Võib-olla avastavad mõned üllatusega, et ka digimaailmas elavad lihast ja luust inimesed – vähemalt veel praegu –, kes on püüdnud sirutada oma tundlikud ja ergad meeled digimaailma probleemide sügavusse ning oma vaimusilmas ette kujutada vastust küsimusele: „Mis ootab meid ees 50 aasta pärast ja kuidas see võiks muuta meie laste elu?” Põnevat ja sisukat lugemist!

Ivo Fridolin Tippkeskuse EXCITE koordinaator

Olgu see väljaanne ka tagasihoidlik tänuavaldus Maarja Kruusmaale, EXCITE ühele tulisele asutajahingele ja koordi-

Eesti IT Tippkeskus EXCITE

3


SISUKORD

10

21

16

6 26

35

31 IKT-SEKTOR JA EXCITE

6 8

Väikese riigi IKT-sektor plaanib kümne aastaga kümnekordset kasvu Tippkeskus EXCITE ühendab Eesti IT-teaduse absoluutseid tippe

IT JA MEDITSIIN

10 16

Ivo Fridolin: tervelt elatud elu on väljakutse. Surmaga teadus ei võitle

Jaak Vilo: andmeanalüüs mõjutab oluliselt kogu bioloogiast arusaamist ja tervishoidu laiemalt

21

Yannic Le Moullec rakendab elektroonikat tervise- ja keskkonnarakendustes

26

Raul Vicente Zafra: soovin, et mõistaksime tehisintellekti

4

39 IT JA TURVALISUS

31

Eesti e-riiki ehitanud Peeter Laud: vaktsineerimist saanuks korraldada palju tõhusamalt

35 39

Vitaly Skachek aitas panna aluse nutistule

Dominique Unruh: sidevõrkude turvalisust peab tõestama arvutitega

43

Jaan Raik: arvutite puhul peab saabuma revolutsioon, et nende tormiline areng saaks jätkuda ROBOOTIKA

48

Maarja Kruusmaa: veealune robootika peidab endas uusi võimalusi

Eesti IT Tippkeskus EXCITE


SISUKORD

48

58

53

43 64

73

69

78

53

Alvo Aabloo: pehmed robotid võiksid tulevikus päästa elusid

TARKVARA, PROGRAMMID, PILVELAHENDUSED

58 64

Marlon Dumas: kas tehisintellekt suudab üksinda ettevõtet juhtida?

Ülle Kotta: teadlane otsib parimat lahendust, tööstus töötavat lahendust

69 73 78

Niccolò Veltri: teoreemitõestajaid hakatakse kasutama ka koolides

Tarmo Uustalu loob uut arvutikeelt

Satish Narayana Srirama: tänu meie tööle on nutiseadmed ja -lahendused tulevikus odavamad

EXCITE koordinaator: Ivo Fridolin EXCITE ajakirja projektijuht: Epp Joala Teostus: Ekspress Meedia AS Erilahenduste osakond Projektijuht: Mairi Peetersoo Ajakirjanikud: Tanel Saarmann, Martin Hanson Küljetoimetus: Riina Palmiste Keeletoimetus: Helina Koldek Kujundus: Marju Viliberg Tõlked: Luisa Tõlkebüroo Fotograafid: Silver Gutmann, Hendrik Osula, Maanus Kullamaa, Arno Mikkor, Anni Suvi, Shutterstok, Heiki Laan Trükk: Printall AS Väljaantud: 2021 Täname: Jaanus Joasoo, Diana Aljas, Henry Narits, Anne Muldme www.excite.it.ee EXCITE-t rahastatakse Euroopa Regionaalarengu Fondi vahenditest.

Euroopa Liit Euroopa Regionaalarengu Fond

Eesti IT Tippkeskus EXCITE

Eesti tuleviku heaks

5


Väikese riigi IKT-sektor plaanib kümne aastaga kümnekordset kasvu Varasema analüüsi põhjal võib väita, et Eesti homne jõukus tuleb tehnoloogiasektori kümnekordsest kasvust järgmise kümne aastaga.

E

esti jaoks on IKT-sektor järjest olulisem ja see on viimase kümnendi jooksul olnud Eesti majanduskasvu peamine vedaja. Info ja side sektor on andnud lausa 30% kogu majanduses loodud lisandväärtuse kasvust. 2019. aastal tegutses info ja side sektoris üle 6000 ettevõtte. Eestis käib Euroopa hoogsaim tehnoloogiafirmade asutamise laine. Meie idufirmade kasv on olnud juba üle viie aasta stabiilselt 20–30% aastas, ükskõik kas mõõta tulusid, töötajate arvu või kaasatud investeeringuid.

Sektori praegused 6300 töötajat ehk 1% kogu Eesti töötajaskonnast teeb tehnoloogiasektoris 2–3% Eesti majandusest. Asutajate Seltsi liikmed ütlevad, et see on ideaalne mudel väikesele riigile, kus inimesi on alati puudu, ja mida vähemate töökätega oma ühist jõukust suudame kasvatada, seda parem.

Teenuste bilanss (meur) järjest positiivsem Teenuste ekspordi ja impordi numbreid vaadates tuleb eriti hästi esile, miks IKT-sektor meie majandusele ja riigile kasulik on.

Suurimat kasvu teevad tehnoloogiafirmad

Eksport

Asutajate Seltsi andmetel on Eesti tehnoloogiafirmade saavutatud miljard eurot kogukäivet 2020. aastal sama suur kui Eesti põllumajandusel. See miljard tähendab, et just nii palju on maksnud kliendid üle maailma meie ettevõtete toodete ja teenuste eest. „Mõlemad on väga tõsised tööstusharud, aga märgatav vahe tuleb kasvu kiirusest. Põllumajandus oli juba paar aastat tagasi sama suur kui praegu, aga idufirmad olid siis üle poole väiksemad,” ütlevad nad. Teiseks on tehnoloogiatööstuse eripära, et vähesed, aga väga targad töötajad suudavad luua palju väärtust.

2014

2016

2018

2020

514,7

612,1

916,5

1286,6

Import

292,1

316

469,3

585,9

Bilanss

222,6

296,2

447,2

700,8

Allikas: Statistikaamet

Eesti idufirmad on aga ka maailmas tuntud. 2020. aastal suutsid nad investoritelt, nii kodu- kui ka välismaistelt, kaasata kokku rekordilised 450 miljonit eurot.

Liigutakse kõrgema lisandväärtuse suunas Uuringus „IKT valdkonna majanduse, kutse- ja kõrghariduse ning teadus- ja arendustegevuse ülevaade, 2020” on toodud, et sektor on olnud pikka aega

IKT sektori tähtsus on oluliselt tõusnud Võrreldes 2010. aastaga on jõudsalt kasvanud kolm peamist näitajat, vaid kogukasum oli 2020. aastal väiksem kui 2010. Keskmine tööga hõivatud isikute arv Müügitulu, tuhat eurot

2010

2012

2014

2016

2018

2020

15 585

18 858

21 356

21 635

25 727

31 561

2 082 736 3 303 465 3 685 956 3 458 874 3 519 520 4 193 434

Kogukasum (-kahjum), tuhat eurot

220 391

208 024

176 919

125 107

138 502

Puhas lisandväärtus, tuhat eurot

504 352

598 055

655 426

683 329

877 685 1 191 697

188 518

Allikas: Statistikaamet

6

kasvutrendis, kuid mõnede näitajate osas on toimunud ka langus. Haridus- ja noorteameti tellitud uuringus on kirjas, et jätkuvalt on kõige positiivsema arenguga programmeerimise alamvaldkond, kus on suudetud kiiresti kasvatada nii käivet, ekspordivõimekust, lisandväärtust kui ka kasumit. Huvitavad arengud jäävad seejuures silma IKT töötleva tööstuse alamvaldkonnas, kus võrreldes 2016. ja 2017. aastaga on käive teinud välisnõudluse vähenemise tulemusena läbi hoopis märkimisväärse languse. Samas on tähelepandav, et käibe langusele vaatamata on lisandväärtus ja kasum IKT töötlevas tööstuses märkimisväärselt kasvanud. Tegemist on väga huvitavate muutustega ja uuringu tegijatel on hea meel tõdeda, et liigutakse positiivses suunas – kõrgema lisandväärtusega toodete tootmine peaks olema siht, mille poole kõik ettevõtted püüdlevad. IKT-sektori ettevõtete lisandväärtus on uurijate vaadeldud perioodil oluliselt kasvanud. Võrreldes 2012. aastaga on kasv olnud märkimisväärne – kokku 64%, sealjuures on programmeerimise valdkonnas lisandväärtus kasvanud ligi kaks korda. Kasvanud on ka lisandväärtus töötaja kohta (2018. aastal 7%), töötajate arv (5%) ja palgakulu (13%), mis on toonud kaasa olukorra, kus ettevõtete kasumi kasv on aeglustunud. Võimekamad IKT-sektori ettevõtted on pigem suurettevõtted, töötajate arvuga 100–249, kus keskmine töötasu on 2578 eurot kuus, mis on valdkonna keskmisest töötasust 31% suurem.

• IKT-sektori osakaal ettevõtluses hõivatute arvust – 5,8% • Ettevõtluses tekkivast lisandväärtusest luuakse – 8% ja enam • Kõigist Eesti ettevõtetest laekuvatest maksudest makstakse – 6,6% • Ekspordi osakaal – 10,1%

Eesti IT Tippkeskus EXCITE


IKT

Kui sama kasv jätkub, siis … Aastas kasvab sektor keskmiselt 25%. Ehkki see on keeruline, siis sama tempo jätkudes töötab tehnoloogiasektoris kümne aasta pärast enam kui 50 000 inimest. Seda loodavad ja selleks teevad tööd sektori enda inimesed. Selline arv moodustaks 10% kõikidest töötavatest inimestest aastal 2030. Kuid veel muljetavaldavam on sektori plaani see osa, kus räägitakse, et IT-ettevõtted suudaksid praeguse efektiivsuse jätkudes panustada Eesti majandusse koguni 10 miljardit eurot aastas. See oleks lausa 30% kogu Eesti sisemajanduse kogutoodangust. „See ongi kaua unistatud teadmistepõhine majandus ja Eesti ajude toodangu eksport maailma,” ütleb Eesti tugevamaid IT-sektori tegijaid ühendav Asutajate Selts.

Mis sellest Eestile kasu on? Erinevad uuringud on näidanud, et üks kõrgepalgaline ja otseselt eksportiv töökoht panustab oma asukohas viide teise töökohta. See tähendab, et iga programmeerija, disainer, tehnoloog või tootejuht loob restoranides, juuksurisalongides, tööstustes, advo-

Euroopas on seatud digitaliseerituse eesmärgid Euroopa Komisjon peab jälgima olukorda, kuhu liikmesriigid on jõudnud teel jätkusuutliku ja kaasava digitaalse ühiskonna loomisel. Eesmärgid on seatud 2030. aastaks ja neid on kokku kaheksa. Mõõdikul on näha praegune olukord ja vahe sellega, kuhu soovitakse 2030. aastaks jõuda.

Euroopa Komisjoni mõõdik: Praegune

2030

20 miljonit IKT spetsialisti Asustatud alade täielik kaetus 5G võrguga Kodude täielik gigabitise internetiga kaetus 75% ettevõtetest on võtnud omaks pilve, suurandmed või tehisintellekti. Vähemalt 90% väike- ja keskmise suurusega ettevõtetest on saavutanud digitaalsete oskuste baastaseme Euroopa Liidu pooljuhid on saavutanud vähemalt 20-protsendilise turuosa Euroopa Liidu ükssarvikute arv peab kahekordistuma Peamiste avalike teenuste kättesaadavus veebis Keskmine

kaadibüroodes või kus iganes mujal juurde töökohti. Rääkimata sellest, et saadav lisatulu aitab tulevikus maksta palka arstidele, õpetajatele, tuletõrjujatele ja politseinikele. Sel on ka roll pensionide väljamaksmisel. Eesti teaduse, majanduse ja laiemalt kogu ühiskonna, sh infoühis-

konna jätkusuutliku arengu huvides on oluline kasvatada Eestis tipptasemel IKT teadus- ja arendustegevuse võimekust, rakendada seda Eesti ühiskonna ja majanduse huvides, tähtsustades erinevatel elualadel teaduspõhiste ja innovaatiliste lahenduste kasutuselevõttu.

Kuidas mõjutavad arengud töökohti Euroopas? McKinsey & Company 2017. aasta uuring „Digitally-enabled automation and artificial intelligence: Shaping the future of work in Europe’s digital front-runners” vaatles, kuidas automatiseerimine ja tehisintellekt muudavad erinevate sektorite tööjõuvajadust. IKT, telekomide, tervishoiuteenuse pakkujate ja hariduse valdkonnas luuakse töökohti tõenäoliselt juurde. Samas ehituse, reisimise ja turismi, tööstuse ning transpordi valdkondades on vaja senisest vähem tööjõudu. Seda on tegelikult näha juba praegu ja digitaalsed tehnoloogiad ainult kiirendavad neid protsesse. Nii võib juhtuda, et digitaalsetest lahendustest tulev innovatsioon jätab sektoris töökohtade arvu samaks või suurendab seda. Nimelt saab töökohad eelkõige asendada seal, kus need on praegu mujalt sisse ostetud. Oma koduriiki tagasi toodud üksused annavad aga tööd kohalikele.

Eesti IT Tippkeskus EXCITE

Automatiseerimine kiirendab muutusi sektorite struktuuris Kogu tööhõive baasi osakaal, digitaalsed eestvedajad, keskpunkti stsenaarium (%) Sektor Info- ja kommunikatsioonitehnoloogia (IKT) Haridus Tervise- ja sotsiaalvaldkond Avalik sektor Professionaalsed teenused Finantsteenused Teised teenused Kaubavahetus Kommunaalteenused Tööstus Primaarne sektor Ehitus Transport Hotellid ja restoranid

Tööhõive Tööhõive 2016 2030 3,7

6,8

8,8

9,5

16,1

17

6,6

6,9

13,1

13,5

2,9

2,9

5,1

4,9

13,9

13,2

1,1

1

11,2

9,8

2,3

2

6,2

5,4

4

4

4

3,1

Tööhõive kasv aastas 5,9 0,6 0,5 0,5 0,3 0,2 -0,2 -0,3 -0,7 -0,8 -0,8 -0,9 -1,4 -1,5

Allikas: McKinsey analüüs

7


Tippkeskus EXCITE ühendab Eesti IT-teaduse absoluutseid tippe Eesti IT-teaduse tippkeskus EXCITE on loodud eesmärgiga täita olulist rolli globaalsel IT-uuringute maastikul, kus püütakse leida lahendusi nii oleviku kui ka tuleviku väljakutsetele.

E

XCITE on tegutsenud aastast 2016 ja see ühendab 16 Eesti uurimisgruppi, et uurida ning töötada välja meetodid turvaliste ja töökindlate IT-süsteemide ja -teenuste arendamiseks. EXCITE tegutseb maatrikstegevuse põhimõttel, kus pannakse kokku ühised teadusteemad seni eraldi tegutsenud teadusgruppide vahel ning juhendatakse ühiselt doktorante ja järeldoktoreid. Partnerasutusteks on seejuures Tallinna Tehnikaülikool, Tartu Ülikool ja Cybernetica AS. EXCITE näol on tegemist Euroopa Regionaalarengu Fondist rahastatava projektiga. Esimestel aastatel tõmbas tippkeskuse edukalt käima Tallinna Tehnikaülikooli professor Maarja Kruusmaa. Temalt võttis 2020. aastal rolli üle tehnikaülikooli professor Ivo Fridolin. Ta ütleb alustuseks, et EXCITE-s ei ole teadlane üksinda, kogu Eesti ITtippteadlaste koorekiht saab abiks olla ning nõu ja jõuga toetada. „Selleks, et see oleks paremini organiseeritud ja majanduslikult toetatud, on meil uurimisgruppideülesed ühisdoktorandid. Mõnes mõttes on teadlased sunnitud koostööd tegema, isegi kui nende isiksuseomadused soodustaksid vaikselt omaette nurgas nokitsemist,” räägib Fridolin. See ei ole aga kaugeltki ainus põhjus, miks EXCITE loodud sai. See kindlustab ka püsivama ja jätkusuutlikuma rahastuse teadlastele, kellel on tema sõnul „hullud ideed”, mis

8

kohe ei pruugi rakendusteni jõuda. Nimelt on Eestis teadusrahastuse süsteem väga konkurentsipõhine ja tippkeskus tagab teatava kindluse, et isegi kui juhtub, et selle aasta taotlusvoorus teadlane koos oma uurimisgrupiga rahastusest ilma jäi, siis ei lähe nad ülikoolist ära mujale tööle. EXCITE teadlased arendavad teaduslike meetodite abil kindlaid ja usaldusväärseid IKT-süsteeme, rakendades neid kõikjal, kus võimalik – keskendudes muu hulgas tervishoiu, ohutuse, keskkonnakaitse, panganduse jmt valdkondadele.

Tippteaduse väljakutsed EXCITE ei ole aga pelgalt tippteadlasi koondav katuseorganisatsioon. Sinna on koondunud teadlased, kes kõik valutavad südant ka teaduse kui sellise tuleviku pärast. Olgu selleks järelkasv või ressursid – need kaks on omavahel ka selges seoses. Fridolin ütleb, et ehkki võiks arvata, et tippteadlastel tulevad head mõtted eikusagilt, on selle taga tegelikult keerukas põhjuslikkus. „Inimkonna helgeid päid on läbi aegade erutanud paljuski kaardistamata alad või sügavused, kuhu tavameel ei ole suutnud tungida. Ideaalis ja parimatel hetkedel tegelevad selliste kaardistamata sügavustega ka tippkeskuse EXCITE teadlased. Kuna IT on horisontaalselt läbi põimunud kõigi eluvaldkondadega, siis väljakutseid pakkuv silmapiir on lai ja üha avar-

dumas. Tuleb tõdeda, et tipptehnoloogilised avastused on muutnud inimese võimsaks. Nii võimsaks, et piiravaks ei saa mitte tippteadlaste fantaasia, vaid inimese enda ebatäiuslikkus ning võime hoida õrna tasakaalu meie tahtmiste ja tegelike võimaluste vahel,” räägib keskuse koordinaator. Keerukus ja põnevus käivad siin käsikäes, kuid esimene neist tähendab aega ja ressurssi. Seetõttu on teadus kallis, eriti tippteadus. Siinkohal meenutab Fridolin 2018. aasta 19. detsembrit, kui Eesti teadlased, poliitikud ja ettevõtlusorganisatsioonid allkirjastasid vabariigi presidendi juures ühiskondliku kokkulepe, mille keskmes oli teadus- ja arendustegevuse ning innovatsiooni avaliku sektori rahastamise tõstmine 1 protsendini SKT-st ja selle hoidmine vähemalt samal tasemel. „Kahjuks jäi see lepe ellu viimata. Uus riigieelarve näeb küll ette teadusrahastuse kasvu ühe protsendini SKTst, aga see ei pruugi täna enam piisav olla.” 2021. aasta märtsi lõpus toimunud Eesti Tööandjate Keskliidu aastakonverentsil „Tuulelohe lend – kes on võitjad muutuvas maailmas?” allkirjastasid Eesti Vabariigi president ja Eesti Tööandjate Keskliidu volikogu esinaine Kai Realo kokkuleppe uuendusmahukate ettevõtete klubi asutamiseks. Tööandjate algatus koondab ettevõtteid, kes investeerivad vähemalt 2% oma käibest teadus-arendustegevusse. Fridolini sõnul on see väärikas algatus, mis ütleb ka selgelt, et ilma innovatsioonita heaolu kasvu ei toimu. „Riikliku koondnäitaja viimine 2%ni SKT-st eeldab teadus-arendustegevusse panustavate ettevõtjate arvu mitmekordistumist,” räägib Fridolin. Ka tippkeskuse EXCITE teadlased (prof M. Dumas’ uurimisgrupp) tööEesti IT Tippkeskus EXCITE


MIS ON EXCITE?

tavad välja meetodeid äriprotsesside seireks, et ennustada protsesside tulevasi olekuid, näiteks tõenäosust, et protsessiinstants lõpeb ebasoovitava tulemusega. „Praeguse ülipingelise konkurentsipõhise teadusrahastamise tingimustes on noortel raske näha teadlase karjäärimudelit kui oma elu perspektiivset eesmärki. Aga tõelise innovatsiooni aluseks on tipptasemel alusteadus ja piisav arv kõrgharidusega spetsialiste. Kas ühiskond tajub seda vajadust?” küsib professor Fridolin.

Tippteadlased tegelevad tulevikuga Meil ei oleks niivõrd edukat ja kiiret COVID-19 viiruse leviku seireanalüüsi ja esitust, kui ei oleks bioinformaatika tippteadlasi (prof J. Vilo uurimisgrupp). Samal ajal vaatavad meile aga vastu mitmed teised väga olulised teemad, millega inimkonnal on tarvis tegeleda ja millele tuleb lahendused leida. Vastasel juhul võivad tekkida fataalsed tagajärjed. Alustame tehnoloogia kui sellise rohelisemaks muutumisest. IT-l on siin võtmeroll. EXCITE uurimisvaldkonnad hõlmavad näiteks energiavõrkude optimeerimisprotsesside simulatsioone, panustades uudsete energiateenuste arendamisse ja pakkudes energiatarbimise juhtimise paindlikkustooteid (professorid J. Raiki ja Ü. Kotta uurimisgrupid). EXCITE uurimisvaldkonnad hõlmavad näiteks algoritmide ja meetodite arendamist, mis teeb võimalikuks uute ning usaldusväärsete seadmete ja infoallikate kasutamise, analüüsimaks näiteks ekstreemsetest kliima- ja ilmastikuoludest põhjustatud üleujutuste mõju taristule ning hindamaks ökosüsteemide seisundit (prof M. Kruusmaa ja tema uurimisrühm). Selleks on vaja osata modelleerida juhtimissüsteeme (prof Ü. Kotta uurimisgrupp). Kõigi nende seadmete jätkusuutliku toimimise aitab tagada riistvaraliste IT-komponentide ja süsteemide vea- ja töökindluse testimine (prof J. Raik). „Mööda ei pääse ka vastuoludest. Kas näiteks bitcoin’ide kaevandamiseks kuluv tohutu energiaressurss on kooskõlas faktiga, et umbes 2,2 miljardil inimesel ehk igal neljandal Eesti IT Tippkeskus EXCITE

meie planeedil ei ole puhast vett? Kes ja kuidas otsustab, kuhu oleks kõige mõistlikum energia suunata? Kas see on IKT probleem?” küsib Fridolin.

Keerulised ja olulised teemad Teadlaste arvamus massimeedias on seoses COVID-19 pandeemiaga saanud argipäeva lahutamatuks osaks. Valitsuse otsused ühiskonna juhtimisel sünnivad koostöös teadusnõukojaga. See on Fridolini meelest suurepärane. Innovatsioonipõhises ja jätkusuutlikus ühiskonnas nii peakski olema. Ühiskonnas mõistetakse hariduse olulisust inimeste endi tuleviku määramisel. Aga siit on veel pikk maa edasi minna.

EXCITE ühendab 16 Eesti uurimisgruppi ja tegutseb maatrikstegevuse põhimõttel, et uurida ning töötada välja meetodid turvaliste ja töökindlate IT-süsteemide ja -teenuste arendamiseks. „Kõik, mis tundub lihtsana, ei ole seda tegelikult. Maailm on väga keeruline. Koroonaviiruse pandeemia tõestab seda hiilgavalt. Seda tõestavad ka tippkeskuse EXCITE uurimisgrupid, mis tegelevad uute teoreetiliste mudelite ja uute algoritmide arendamisega, kasutades funktsionaalprogrammeerimist, programmide transformeerimise ja konstrueerimise meetodeid ning modaalloogikate arvutiteaduslikke rakendusi (prof T. Uustalu ja N. Veltri uurimisgrupid).” Eesti on jõuliselt arendamas välja oma kiire interneti võrku üle kogu riigi, sh väheasustatud piirkondades. See tagaks IKT-teenuste kättesaadavuse igale Eesti elanikule. Võrreldes teiste arenenud riikidega oleme maailmas internetiühenduse kiiruse

ja kättesaadavuse poolest esirinnas. Hea ja kvaliteetne andmesidevõrk võimaldab kaugtööd, koduõpet ja ka lihtsamat riigiteenuste kasutamist. Tulevikus liituvad meie tehnoloogilise igapäevaga pilvearvutused ja asjade internet, mille uurimises tippkeskuse EXCITE teadlased innukalt kaasa löövad (prof Y. Le Moulleci ja prof S. Srirama uurimisgrupid).

Kübertervis ja inimtervis Ülikiiret internetiressurssi kasutab ka massimeedia. Positiivne on, et inimesed saavad jätkuvalt töötada ja suhelda ka piirangutega pandeemia eriolukorras. Paraku tähendab võimalus ja vabadus ka vastutust. Tippkeskuse EXCITE küberturvalisuse uurimisteemad pühendavad oma jõu ja tarkuse selleks, et inimesed tunneksid end küberruumis suheldes turvaliselt. Et nende identiteeti ja isikuandmeid ei kuritarvitataks. Turvaliste e-riigi rakenduste arendamisega (e-valimised, turvalised andmevahetusprotokollid) tegelevad EXCITE uurimisgrupid Cybernetica AS-ist (prof P. Laudi uurimisgrupp) ja Tartu Ülikoolist (prof V. Skacheki uurimisgrupp). Tulevikus võimaldavad turvalisust suurendada kvantarvutusel põhinevad IKT-lahendused, mida EXCITE tippteadlase D. Unruh’ juhtimisel uuritakse. Ka on IKT üheks põhjuseks nutinarkomaaniale. On hinnatud, et meie tervise kõige suuremateks riskideks nakkuslike (COVID-19 ja gripp) ning mittenakkuslike krooniliste haiguste (südame-veresoonkonna-, hingamisteede ja kopsuhaigused ning vähk) kõrval tõusevad lähiajal vaimsed häired ja neist põhjustatud haigused, millel saab olema tohutu psühholoogiline ning majanduslik mõju. Meie tervise parandamise nimel tegutsevad mitu tippkeskuse EXCITE teadusgruppi – nii füüsilise (prof A. Aabloo, prof I. Fridolin, prof M. Min, prof Y. Le Moullec, prof J. Vilo) kui ka vaimse (prof M. Bachmann, prof R. Vincente Zafra) tervise uurimiseks. „Jätkugu inimkonnal arukust oma tippteadlasi toetada ja nende loodut kõikide hüvanguks rakendada,” ütleb Fridolin lõpetuseks.

9


Ivo Fridolin: tervelt elatud elu on väljakutse. Surmaga teadus ei võitle

Tervisetehnoloogiate valdkond on tulevikku vaadates üks võtmetähendusega teemasid terves teaduses. Ivo Fridolin ja tema meeskonnad töötavad kvaliteetse elukaare pikendamisel nii ennetuse kui ka ravi poolel.

E

elmisel aastal tehtud analüüs näitab, et eesti inimene elab kauem kui kunagi varem, kuid terviseprobleemide küüsis võib ta veeta tervelt kolmandiku oma elust. Siin jääme selgelt Euroopa keskmisele alla. „Tervelt elatud aastad on Eestis valdkond, millega tuleb tegeleda,” on Fridolin veendunud. See puudutab nii inimese füüsilist kui ka vaimset tervist. Tervisetehnoloogiasuunaliste uurimistööde üheks peamiseks eesmärgiks on leida meetodid, mis võimaldaksid tuvastada muutusi füsioloogilistes süsteemides ja nende töös varakult, enne haiguslike sümptomite ilmnemist, ning patoloogiliste muutuste teket. „Infotehnoloogial, eriti signaalitöötlusel, on meie uurimistöös väga oluline roll ja need on vajalikud uute

10

Eesti IT Tippkeskus EXCITE


TERVISETEHNOLOOGIAD – HAIGUSTE ENNETAMINE

meetodite ja seadmete väljatöötamiseks,” selgitab Fridolin ning lisab, et massiline aktiivsusmonitoride ja spordikellade kasutamine näitab, et inimesed soovivad oma tervisliku seisundi kohta pidevalt teavet omada. Maailm liigub samal ajal aga personaalmeditsiini ja inimesekeskse lähenemise poole.

Võtmekoht – vaimne tervis Depressiooni all kannatavate inimeste arv on viimase 10 aastaga kasvanud 40 korda ja moodustab üle 6 protsendi elanikkonnast. Depressioon on haigena elatud aastate üheks peamiseks põhjuseks. Tippkeskuse EXCITE koostöö raames on TalTechi tervisetehnoloogiate instituudi aju bioelektriliste signaalide uurimisrühma (prof Maie Bachmann, vanemteadurid Hiie Hinrikus, Jaanus Lass, teadur Laura Päeske, doktorandid Toomas Põld, Tuuli Uudeberg) eesmärgiks välja töötada objektiivne meetod aju mentaalse seisundi hindamiseks, mis võimaldaks avastada mentaalseid häired enne subjektiivsete sümptomite teket ja oleks kasutatav nii kõrge vastutusastmega töötajate (politseinikud, päästetöötajad, militaartöötajad) kui ka elanikkonna regulaarse tervisekontrolli puhul. Aju bioelektrilisi signaale mõõdetakse peanahalt. See on justkui arvuti korpuselt tehtud mõõtmine, mille põhjal on vaja aru saada, kuidas arvuti töötab. Elektroentsefalograafia (EEG) kirjeldab ajus toimuvaid bioelektrilisi protsesse samal ajal neisse protsessidesse sekkumata, mis oleks võimatu invasiivse uuringu puhul. EEG puuduseks on madal ruumiline eraldusvõime, kuna signaal pindmistel elektroodidel kajastab paljude neuronite tekitatavaid välju. Samal ajal on EEG suureks eeliseks hea ajaline eristus, mis võimaldab toimuvaid bioelektrilisi protsesse jälgida enam kui millisekundilise täpsusega. „Vaimseid häireid, sealhulgas depressiooni, diagnoositakse, kasutades subjektiivseid (testid, küsitlused) meetodeid. Professor Maie Bachmanni juhitava uurimisrühma üheks põhieesmärgiks on leida vaimsete häiEesti IT Tippkeskus EXCITE

Elektroentsefalograafilist uuringut viib läbi Maie Bachmann.

rete varajaseks ennustamiseks objektiivne ehk ajusignaalide mõõtmistel põhinev meetod,” kirjeldab Fridolin. EEG võimsuste tasakaalu iseloomustamiseks tõi töögrupp sisse spektraalse asümmeetria indeksi SASI, mis iseloomustab EEG võimsuste tasakaalu ülal- ja allpool keskmisi sagedusi ning mida arvutatakse kui nende võimsuste suhtelist erinevust.

Aju bioelektriliste signaalide uurimisrühma eesmärgiks on välja töötada objektiivne meetod aju mentaalse seisundi hindamiseks, mis võimaldaks avastada mentaalseid häired enne subjektiivsete sümptomite teket ja oleks kasutatav nii kõrge vastutusastmega töötajate kui ka elanikkonna regulaarse tervisekontrolli puhul.

„Huvitav oli prof Bachmanni uurimisrühma leid, et EEG võimsuste tasakaal sagedusribades, mis on valitud ülal- ja allpool maksimumsagedust, muutub, kui on tegemist depressiooni diagnoosiga patsientidega. Depressioonihaigete grupil oli SASI positiivne, enamikul tervetel uuritavatel negatiivne. 2021. aasta märtsis kaitses Laura Päeske sellesuunaliste teadusuuringute põhjal doktoritöö,” räägib Fridolin. Laura Päeske doktoritöös, mis osaliselt põhines tippkeskuse EXCITE koostööl TalTechi aju bioelektriliste signaalide uurimisrühma ja arvutisüsteemide instituudi (prof Jaan Raik) vahel, järeldati muu hulgas, et juba ühe kanali EEG signaal annab võrreldava tulemuse mitme kanali kombineerimisega, ning pakuti välja, et aju kompenseerib kesise funktsionaalse võrgustiku tugevamate ühendustega. Lisaks eelnevale jätkub tippkeskuse EXCITE koostöö TalTechi tarkvarateaduse instituudiga (prof Juri Belikov), kus doktorant Tuuli Uudeberg seob tavapärased EEG signaalitöötlusmeetodid andmeteaduses kasutatavatega, arendamaks välja personaalseid aju seisundi markereid. Väsimus ja vaimsed häired käivad käsikäes. Väsinud töötajatel on palju suurem risk sattuda depressiooni. Tippkeskuse EXCITE arvutisüsteemide instituudi (prof Gert Jervan,

11


Aju bioelektriliste signaalide uurimisrühm (vasakult paremale) Toomas Põld, Hiie Hinrikus, Laura Päeske pojaga, Jaanus Lass, Maie Bachmann ja Tuuli Uudeberg.

vanemteadur Mairo Leier) ja tervisetehnoloogiate instituudi (prof Ivo Fridolin, vanemteadur Kristjan Pilt, teadur Moonika Viigimäe, doktorant Ardo Allik) uurimisrühmade teaduskoostöö üheks väljundiks on töötajate füüsilise väsimuse ning stressi automaatne mõõtmine, mille jaoks esimesed sammud on astutud vastavate tehisintellektil (AI), masinõppemeetoditel põhinevate algoritmide arendusega. Esmalt keskendutakse

füüsilise väsimuse hindamisele, kasutades reaalajas mitteinvasiivselt füsioloogiliste signaalide registreerimist. Valmimas on doktoritöö teemal „Kantavatel seadmetel põhinev inimese füüsilise väsimuse hindamine”. Tulevikus võiks tippkeskuse EXCITE teadustöö üheks väljundiks olla tööohutuse ja -mugavuse suurendamine tööriietesse peidetud süsteemide ning neis töötavate algoritmide arendamise kaudu. Selline tark töö-

Veresoonkonna parameetrite mitteinvasiivne mõõtmine. Pildil on Margus Viigimaa ja Kristjan Pilt.

12

rõivas võib pakkuda töötajale võimalust olla teadlik oma töö- ja liikumisharjumustest, mida saaks kasutada lähteandmetena tõhusama ja ohutuma töökeskkonna ning ajakasutuse planeerimiseks või ohtlikes tingimustes olevate töötajate tööõnnetusi ennetavate mustrite automaatseks tuvastamiseks.

Suurt tapjat on võimalik vara tuvastada Südame-veresoonkonnahaigused, näiteks ateroskleroos, on üheks peamiseks surma põhjuseks maailmas. Ateroskleroosi varajane avastamine ja selle tulemusena rakendatud õige ravi korral on võimalik edasine haiguse süvenemine ära hoida. Ateroskleroos ja naastude teke veresoone seinale on seotud arterite vananemisega. Erinevate haiguste, näiteks diabeedi puhul on arterite vananemise protsess kiirenenud. Arterite lupjumise tulemusena suureneb nende jäikus, mis põhjustab südame koormuse kasvu, sest veresoonte avaldatava suurema takistuse tõttu on verd raskem läbi soonte pumbata. See põhjustab omakorda veresoonkonnaga seotud haigusi, nagu hüpertensioon ja südame isheemiatõbi. „Veresoonkonna seisundit on võiEesti IT Tippkeskus EXCITE


TERVISETEHNOLOOGIAD – HAIGUSTE ENNETAMINE

malik mitteinvasiivselt hinnata, kasutades pulsilaine analüüsi. Pulsilaine, mis tekib verd pumpava südame tekitatud rõhu muutuste lainelisest levist veresoontes, levib mööda aorti edasi teiste väiksema läbimõõduga arterite suunas, jõudes lõpuks välja perifeersetesse veresoontesse. Pulsilaine levikiirus ja kuju sõltuvad soone elastsusest ja vererõhust ning annavad seega olulist informatsiooni veresoonkonna seisundist ja vananemisest. Soone elastsuse vähenemisega pulsilaine kiirus kasvab ja selle kuju muutub,” selgitab Fridolin meetodi toimimist. Veresoonkonna parameetrite mõõtmiseks on oluline valida mitteinvasiivne meetod, mis ei mõjutaks sooni ega verevoolu. Selleks sobib fotopletüsmograafiline (PPG) optiline meetod, millega saab registreerida vere hulga muutust. See meetod on integreeritud ka paljudesse tänapäeval üha laialdasemat kasutust leidvatesse aktiivsusmonitoridesse ja nutikelladesse. Vanemteadur Kristjan Pilt on arendanud PPG-signaali analüüsi uudse algoritmiga, kasutades pulsilaine kuju indeksit PPGAI, mis võimaldab saada usaldusväärset informatsiooni veresoonkonna seisundi kohta. Väljatöötatud algoritmi võrdlus kliinilises praktikas kasutatavate meetoditega koostöös Põhja-Eesti Regionaalhaigla kardioloogi ja TalTechi professori dr Margus Viigimaaga näitas uue meetodi eelist normaalsete ja suurenenud jäikusega arteritega uuritavate eristamisel. „Kristjani algoritmi eelis seisneb ka mürade mahasurumises PPGsignaalis, kasutades adaptiivset filtreerimist, ja pulsilaine kuju analüüsi sidumises südame taktsagedusega,” räägib Ivo Fridolin. Tippkeskuse EXCITE ja arvutisüsteemide instituudi vanemteaduri Mairo Leieri koostöös on valminud ka optiline andur PPG-signaali registreerimiseks erineval sügavusel paiknevatelt arteritelt. Selliselt on võimalik laiendada signaali mõõtmise asukohti kehal ja suurendada meetodi täpsust. Uudne meetod koos optilise pulsilaine registreerimissüsteemiga on perspektiivne kasutamiseks arterite Eesti IT Tippkeskus EXCITE

Uudne meetod koos optilise pulsilaine registreerimissüsteemiga on perspektiivne kasutamiseks arterite elastsuse ja vanuse hindamisel südame-veresoonkonnahaiguste varajases diagnostikas. elastsuse ja vanuse hindamisel südame-veresoonkonnahaiguste varajases diagnostikas.

Kroonilised haigused kui suur murelaps Kui ennetusega ollakse hiljaks jäänud, siis võib haigus süveneda krooniliseks. Krooniliste haiguste üha laienev levik on paratamatu protsess ka vananevas ühiskonnas, olles jõudmas, eriti arenenud riikides, epideemia tasemele. Euroopa Liidus kulutatakse umbes 70 protsenti rahvatervise vahenditest kroonilis-

te haiguste vastu võitlemiseks. Lisaks on epidemioloogilised uuringud näidanud, et 14 protsendil 65-aastastest ja vanematest patsientidest on kuus ja enam kroonilist haigust. Veelgi enam, pandeemiline koroonaviirus COVID-19 on tõsine väljakutse kroonilisi haigusi põdevatele riskirühma haigetele. „Lõppstaadiumis neeruhaigus on üks näide tõsisest kroonilisest haigusest. Erinevat tüüpi neeruhaigustega on hädas umbes 850 miljonit inimest kogu maailmas, mistõttu prognoositakse, et krooniline neeruhaigus on 2040. aastaks kaotatud eluaastate seas viies kõige levinum põhjus,” avaldab Fridolin. Neerud puhastavad verd, filtreerides välja ainevahetuse jääkprodukte, sealhulgas mürgiseid ainevahetuse jääke ehk ureemilisi toksiine. Kroonilise lõppstaadiumis neerupuudulikkuse korral on sageli ainus võimalus kasutada neeruasendusravi, nn kunstneeru, mis hemodialüüsi käigus filtreerib kahjulikud ained verest välja. Neeruasendusravi on patsiendile eluliselt hädavajalik, kuid aeganõudev ja ebamugav protseduur. Ravi on väga kallis, üks kalleimaid krooniliste haiguste seas, aga ilma ravita haige sureks. Seepärast on hemodialüüsi efektiivsuse tagamine väga oluline. Ka raskelt COVID-19 põdevatel haigetel on suur risk pöördumatuks neerukahjustu-

Füsioloogiliste signaalide registreerimise laboris (vasakult paremale) Ivo Fridolin, Mairo Leier, Moonika Viigimäe, Kristjan Pilt ja Ardo Allik.

13


TERVISETEHNOLOOGIAD – HAIGUSTE ENNETAMINE

Biovedelike optilisi signaale uurivad (vasakult paremale) Risto Tanner, Joosep Paats, Jürgen Arund ja Ivo Fridolin.

seks ja neist võivad saada dialüüsipatsiendid. Neeruasendusravi kvaliteeti ja tulemuslikkust on traditsiooniliselt kontrollitud keemiliste analüüsidega, võttes perioodiliselt vereproove. Puuduseks on haigele hinnalise vere kadu, keemiliste reagentide kasutamine ja keeruline mõõteprotseduur. Biovedelike optika uurimisrühma kuuluvad professor Ivo Fridolin, vanemteadurid Jürgen Arund, Jana Holmar ja Risto Tanner, teadur Sigrid Kalle, doktorant Joosep Paats ning insenerid Rain Kattai ja Deniss Karai. Koostöös Põhja-Eesti Regionaalhaigla nefroloogide dr Merike Lumani, dr Annika Adobergi ja dr Liisi Leisiga ning biokeemia labori kvaliteedijuhi Kai Lauriga (SYNLAB Eesti OÜ) pakkus uurimisrühm välja põhimõtteliselt uue lähenemise hemodialüüsi kvaliteedi kontrolliks ja monitooringuks. Selles kasutatakse optilist kiirgust, täpsemalt vastavate markermolekulide neeldumis- ja fluorestsentsomadusi. Mõõtes optilise meetodi abil erinevate molekulide neeldumis- ja fluorestsentsspektreid heitdialüsaadis, on võimalik hinnata nende kontsentratsiooni ja seega jälgida neeruasendusravi reaalajas. Heitdialüsaat on vedelik, mis kannab verest välja filtreeritud jääkained minema, tavaliselt kanalisatsiooni. Optilise meetodi eelisteks on, et mõõtmine toimub heitdialüsaadil, pakku-

14

Meie e-tervis ei ole enam aastaid edulugu olnud. Meie andmed on killustunud ja ebasüstemaatilised ning tekkinud ei ole suurandmeid, mida meditsiin hädasti vajab.

des seega monitori lihtsaimat ühendamise võimalust, dialüüsi protsessi mingilgi moel häirimata. Ei ole vajadust võtta vereproove ega kasutada keemilisi aineid. Varieerides optilisi sagedusi ning neeldumis- ja fluorestsentsspektreid, on võimalik registreerida erinevaid, nii väikesi kui ka suuri molekule. Teadustöö tulemusena on väljaarendamisel reaalajas mõõtev sensor ehk nn Multicomponent Monitoring (MCM) kontseptsioon, mis kasutab uurimisgrupi väljatöötatud optilist meetodit toksiliste jääkainete verest eemaldamise jälgimiseks. Tippkeskuse EXCITE koostöö On-Chip Health Technology rakendamiseks arendatava MCM-sensori riist- ja tarkvara töökindluse testimiseks professor Artur Jutmaniga Testonica Lab OÜ-st on jätk varasematele ühisarendustele professor Raimund Ubari uurimisgrupiga.

Rohkem kvaliteetset infot digilukku Eesti Haigekassa on juba peagi olukorras, kus raha ei jätku kõigile. Arstiravi kättesaadavus muutub keerulisemaks. Inimesed peavad arvestama, et kui nad ise oma tervisest ei hooli, siis kahaneb enneaegselt ka nende elukvaliteet. „Seda kardavad inimesed tegelikult kõige enam. Et sul on materiaalsed võimalused elu nautimiseks, aga sa ei saa, sest tervis on kehv. See on suu-

Neeruasendusravi kvaliteeti hindavad (vasakult paremale) Annika Adoberg, Liisi Leis, Merike Luman, Jürgen Arund ja Joosep Paats.

Eesti IT Tippkeskus EXCITE


reks motivaatoriks, et muuta inimeste käitumist,” räägib Fridolin. Tekibki küsimus, kas ühiskond peaks siis kinni maksma selle inimese ravi, kes hoolimata lihtsatest teada-tuntud tervisetõdedest neid ise ei järgi ja endiselt sel moel oma tervise eest hoolt ei kanna? Kas siin aitaks piisav personaalse terviseinfo olemasolu? Ivo Fridolin on seda meelt, et Eesti inimese digilukku peaks jõudma rohkem kvaliteetset infot. Inimesi peaks mõõtma ja tulemustest ka neile teada andma. Võtame või klassikalised parameetrid, nagu vererõhk või veremarkerite tulemused. Need näitajad, mis on seotud kõige suuremate terviseriskidega. Olemas on sama soo ja vanuse esindajate keskmised tulemused ning sa näed pidevalt, milline on sinu seis võrreldes nendega. „Kui läheb punasesse, siis tuleb sekkuda. Oluline oleks tekitada ajajoon, et näha trende. Noorest peast, enne täiskasvanuiga, tuleks kõik olulised näitajad personaalselt ära mõõta ja hakata siis trende projitseerima,” usub Fridolin. Fridolin tõdeb, et meie e-tervis ei ole enam aastaid edulugu olnud. Eelkõige seetõttu, et puudub lihtne ja kasutajasõbralik viis andmete kvaliteetseks sisestamiseks, mis arstile patsiendi ärakuulamist võimaldaks. Lisaks tehnoloogilised ühilduvusprobleemid eri süsteemide vahel. Osaliselt seetõttu puudub arstil võimalus saada koondvaade patsiendi elutähtsatest näitajatest, riski- ja ohuteguritest ning analüüside vastustest aegreana, mis annaks kiire ülevaate patsiendi seisundi muutumisest. Meie andmed on killustunud ja ebasüstemaatilised ning tekkinud ei ole suurandmeid, mida meditsiin hädasti vajab. Ei ole sel juhul kasu ka masinõppest, tehisintellektist. „Kui sisestatud info on kehv või puudulik, siis on ka tulemus sama,” toob Fridolin välja. Väga oluline on ka meedikute kaasatus kogu protsessis. Lõpetuseks tasub öelda, et tervisetehnoloogiate areng ei vii meid mitte lähemale surematusele, vaid teadmisele, et surm on paratamatu nähtus. Just seetõttu on eriti oluline, et elatud aastad oleks võimalikult haigustevabad. Selleks peavad inimesed suure töö ise ära tegema, sest kõige lähemad sensorid ja andurid asuvad justnimelt meie endi sees ja küljes. Eesti IT Tippkeskus EXCITE

MIDA TOOB TULEVIK ISALE JA TÜTRELE? Isa Toomas (30) ja tütar Emma (5) Ka lähema paarikümne aasta jooksul saab inimkonna väljakutseks olema, kuidas elada võimalikult terviseteadlikult. See tähendab, et Toomasele ja Emmale on olulised tervislik ja loodussõbralik eluviis ning nad arendavad pidevalt oma tervise kirjaoskust. Aga tervisetehnoloogiad saavad terviseteadlikkust võimestada. Virtuaalsed konsultatsioonid on saanud juba Toomase eluea jooksul igapäevaseks. Kasutusel on intelligentsed rakendused e-tervise süsteemis, mis teavitavad isa ja tütart nende tervisekäitumise tasemest ja riskidest. Isegi kui selgub, et neil on nn rasvumisgeen, siis ei lange terviseteadlik inimene depressiooni. Nad teavad, et kehakaal sõltub väga palju meie tervislikust eluviisist ja geenid on vaid evolutsiooniline võimalus, mis ei pruugi realiseeruda. Seda teades saavad nad koos tehnoloogiaga luua tingimusi, mis toetavad normaalset kehakaalu. Samuti tingimusi, mis tekitavad ja hoiavad motivatsiooni. Aktiivsusmonitorid ja nutikellad koos tehisintellektiga aitavad neil jälgida oma liikumisharjumusi ja une kvaliteeti. Pakuvad välja personaalse päeva- ja treeningkava. Toitumisäpid registreerivad Toomase ja Emma toitumisharjumusi, toidu kogust ja kalorsust ning maitse-eelistusi ja pakuvad personaalse dieedi. Aga neid jälgivad ka nutikad kaalud, vererõhumõõturid, termomeetrid, pulssoksümeetrid ja glükomeetrid. Tervisefanaatikud või eriti keeruliste juhtudega haiged, kellel on arsti ettekirjutus, saavad võib-olla lasta implanteerida endale otse ajju vastavate keskustega ühendatud andurid, mis saadavad infot vastavatest aju keskustest – näiteks „Stopp, magusa kogus kehas on piisav”. Hea vaimne tervis tähendab eelkõige teadlikkuse arendamist: keha, kõne ja meele teadlikkuse arendamist meeleharjutuste ja toetavate tehnoloogiate abil. Näiteks väsimuse ja stressi monitoridega, mida samuti praegu tippkeskuses EXCITE arendatakse. Väsimuse monitorid annavad tagasisidet väsimuse tasemest, et Toomas saaks vältida ületöötamist ja tööõnnetusi. Stressimonitorid annavad märku liiga kõrgest stressitasemest. Sellele võiks järgneda sobivad tugiteenused: (virtuaalsed) tugigrupid, (virtuaalne) sotsiaalnõustamine, vastava suunitlusega tervisemängud (gamification), (virtuaalsed) lugude jutustajad (storytelling). Vaimse tervise tagamiseks saavad palju ära teha ka avalik ja erasektor, luues toetavaid-preventatiivseid tingimusi, kasutades suurandmeid ja nende töötlust sobivate teenuste, toetuste jms modelleerimiseks ning rakendamiseks ja isikuandmete kaitseks. Emma võiks teada, et 100 aasta pärast on tervet elu elava inimese igapäeva osaks infohügieen. Nii nagu peseme iga päev oma hambaid ja keha, nii vajab infoga üleujutatud moodsa infoühiskonna liige infohügieeni. Käime ju saunas, et keha pealaest jalataldadeni puhtaks küürida. Tuleviku terviseteadlik inimene Emma hakkab regulaarselt enda aju liigsest infost puhastama. Seda hakatakse õpetama juba lasteaias. Info tarbimist võiks võrrelda ka söömisega. Liiga palju infot sisse ahmida on ebatervislik. Sarnaselt toitumisdieediga võib tal vaja minna infodieeti. Võib-olla isegi info paastulaagreid. Siin on abiks tehnoloogiad, mis aitavad aega planeerida. Need tuleviku tervisetehnoloogiad hakkavad andma ka märku, et Emma vajab pausi ja iseendaga olemist ilma mingite stiimuliteta. Lihtsus ning iseenda kehast, tunnetest ja mõtetest teadlikumaks saamine võib pakkuda suurt rahulolu. See mõjub hästi nii füüsilisele kui ka vaimsele tervisele.

15


Jaak Vilo:

andmeanalüüs mõjutab oluliselt kogu bioloogiast arusaamist ja tervishoidu laiemalt Terviseteadus ja andmeanalüüs käivad üha enam käsikäes. Bioinformaatika professor Jaak Vilo ja tema uurimisrühmad aitavad koguda ning analüüsida bioloogia- ja terviseandmeid, mis inimkonda mitme nurga alt abistama hakkavad.

E

lame andmete üha kiirema kogunemise ajastul, mil informatsiooni küllus mängib meile kätte olulised trumbid võitlemaks tõsiste haigustega ja aitamaks teha otsuseid, mis meid oluliselt mõjutavad. Nii on bioinformaatikast saanud näiteks koroonaviirusega võitlemisel väga oluline relv nii viirusest arusaamise, vaktsiinide arenduse kui ka epidemioloogiliste arvutuste arendamise seisukohast. Andmeteadlasi läheb aga vaja igas sektoris ja ettevõttes, mis tulevikus soovib olla konkurentsis ning

16

edukas. Jaak Vilol on hea meel tõdeda, et Tartu Ülikooli värske andmeteaduse magistrikava vastuvõtt on kasvanud juba 75 tudengini aastas. See annab lootust, et kümne aasta pärast on meil 500–600 võimekat andmeanalüütikut juures. Neid on vaja eri ettevõtetesse kaubanduses, tööstuses, panganduses, ravimitööstuses ja mujalegi. „Kogu bioloogia on muutunud tänu mahukate andmete analüüsile. Sarnased analüüsimeetodid on aga rakendatavad ka teistes valdkondades, kus andmemahud on kiiresti kasvanud,” ütleb Vilo.

Bioinformaatika tulemusel luuakse meditsiinis tekkivatest andmetest kogud, mis aitavad teadlastel teha olulisi järeldusi ja otsuseid. Professor Vilo toob esimese näite iseenda uurimisgrupi töömailt. Laiapõhjaliste andmete analüüs võimaldab meil teada saada, milline ravim konkreetsele patsiendile millises doosis kõige paremini sobib. Aeg-ajalt kirjutavad arstid patsiendile välja ravimi, mis talle tegelikult ei sobi. See juhtub seetõttu, et meie geneetika mängib ravimite manustamisel olulist rolli. Võib tunduda kummastav, aga selleks, et teha individuaalne otsus, on vahel tarvis enne analüüsida sadade miljonite inimeste andmeid. Niisiis ei piisa vaid Eesti, Läti, Leedu või Soome teadlaste kogutud terviseandmetest. Koostööd peavad tegema teadlased üle maailma. Sellises rahvusvahelises koostöös osaleb aktiivselt ka Jaak Vilo uurimisrühm nii bioloogiliste kui ka terviseandmete valdkonnas. Eesti IT Tippkeskus EXCITE


TERVISETEHNOLOOGIAD – ANDMEANALÜÜS

Ravimite õige manustamine ja bioloogide töövahendid „Iga inimene võib osta aspiriini või muud tavalist ravimit, mis peaks justkui sobima kõikidele, või kirjutab arst välja ühe võimaliku antidepressandi kümnest. See võib aga olla vale lahendus, kuna inimese geneetiline eripära võib just seda ravimit lagundada kas liiga aeglaselt või kiiresti. Nii ravim kas akumuleerub liiga suure koguseni, tekitades kõrvalmõjusid või ei jõua üldse mõjuda. Uute vähiravimite puhul on vaja esmalt tuvastada vähi täpne tüüp, millele uus ravim võiks mõjuda. Ravimite manustamisel on küsimus lisaks ravimi kui sellise sobimisele ka doosis, protseduuris ja lõpuks ka sobiva ravimite kokteili määramisel, mida patsient võtab. Kõik see peab aga kokku käima inimese ja vahel ka haiguse (näiteks vähk või viirus) individuaalse geneetikaga. See eeldab teadmisi terve ja haige inimese bioloogiast, võimalike uute ravimite sihtmärkidest ning ravimite eripäradest. Tõenduspõhine meditsiin vajab häid andmepõhiseid lähenemisi ja tulevikus üha enam ravimite täppissuunamist õigele sihtrühmale. Vilo sõnul on aja jooksul riiulile jäänud palju medikamente. Sa-

Eesti IT Tippkeskus EXCITE

mas võib mingile grupile patsientidele neist ravimitest oluline kasu olla. Selleks on vaja erinevate bioloogiliste eksperimentide ja geneetika andmete analüüsi, vahendeid, millega neid fenomene uurida. Nii on Vilo uurimisrühm panustanud tüvirakkude arengu, vähi, immunoloogia ja närvisüsteemi haiguste uurimisse. Uuritakse geenide võimaliku funktsiooni ennustamist, DNA ja selle modifikatsioonide infot, valkude avaldumist eri tingimustel jne. Tööriistad on arendatud enamikus ise ja koostööd tehakse eri valdkondade molekulaarbioloogide ja arstidega. Nendele programmidele, millele on palju kasutusvajadust, on tehtud ägedad veebiliidesed ja neid kasutavad aktiivselt kümned tuhan-

Tõenduspõhine meditsiin vajab häid andmepõhiseid lähenemisi ja tulevikus üha enam ravimite täppissuunamist õigele sihtrühmale.

ded teadlased üle maailma. Kokku saavad Eesti arvutid vatti miljonite päringutega kuus, mille eesmärk on aidata teadlasi ja ettevõtteid oma andmete lihtsama analüüsi võimaldamisel. Rahvusvahelise ELIXIR-i bioinformaatika taristu koostöövõrgustikus luuakse ühiseid andmebaase, tagatakse nende ühilduvus omavahel ja erinevate tööriistadega ning koolitatakse teadlasi, kes puutuvad kokku andmeanalüüsi vajadusega. Vilo ja kaasprofessor Hedi Peterson juhivad selles koostöös Eesti tegevusi.

Tervishoid peab olema andmekeskne, et olla tõenduspõhine Bioloogiliste mehhanismide uurimise pealt jõuame peagi ravimite kasutuse ja nende mõju analüüsini. Kuna nüüd on üha enam olemas inimeste DNA infot koos terviseandmetega, näiteks milliseid haiguseid mis vanuses keegi põeb, saab otsida ka neid infokillukesi DNA-s, mis neid protsesse mõjutavad. Terviseteaduse maailmas on moodne sõna ennetamine ning bioinformaatika ja farmakogeneetika pakuvad ka siin huvitavaid võimalusi. Nende abil võib tulevikus selgeks teha inimese eelsoodumuse mõne

17


haiguse tekkeks, näiteks südamehaiguste ennetamiseks saab vajadusel juba varakult võtta vajalikke ennetavaid ravimeid. „Sedalaadi ravirežiimid tulevad. Küünikud võivad nüüd öelda, et ravimifirmad suruvad meile ravimeid peale, aga tervise eest hoolitsemine on pikaaegne protsess ja vahel on kõrge geneetilise riskiga inimestel kolesterooli või vererõhu kontrolli all hoidmine vajalik,” tõdeb Jaak Vilo. Jõuame oma jutuga praeguse globaalse teemani number üks, milleks on koroonaviirus. Tänu Eesti teadlaste kompetentsile suudeti väga kiiresti luua kohalikud andmeanalüüsi töövood ja avalikud visuaalsed vaated, mis aitavad viiruse levikut paremini prognoosida ja selle abil otsusteni jõuda. „See ei ole tingimata keeruline andmeteadus, aga just tänu meie varasematele kogemustele suutsime need kiirelt luua,” räägib Vilo.

Võtmeteema – andmete ühtlustamine Kui võtame geneetiliste eripärade arvestamise, koroonaviiruse uurimise või mis tahes tervise uurimisega seotud teema, siis on alati vaja võimalikult hästi võrreldavaid and-

18

meid. Vaid siis on tulemused sellised, et neist saab tõesti teha kvaliteetseid järeldusi. Tähtis on ka andmete hulk. Kui Eestis analüüsida tuhande inimese andmeid, ei ole see tingimata piisav, et teha haiguse kohta lõplikke järeldusi, näiteks millised ravimid neile võiks sobida või prognoosida nende terviseriske. Sageli ei joonistu peamised geneetilised tendentsid sel moel veel usaldusväärselt välja, vaja on tulemusi võrrelda ka teiste riikide vastavate andmetega. Kui samad tunnused on tuvastatud kümnetest ja sadadest miljonitest andmeühikutest, siis tekib aga tõeline väärtus kogu inimkonnale. „Eri riikides peaks analüüs toimuma omavahel võrreldavalt, sõltumata kasutatud keelest või meditsiinisüsteemi eripäradest. Terviseandmeid ei ole aga paljudel põhjustel võimalik ega otstarbekas lihtsalt ühte suurde süsteemi kokku tuua. Niisiis peavad kohapeal kogutavad andmed olema riikide lõikes ühesugused. Aga ega ka meie, Eesti arstide poolt kirja pandud andmed ei ole ju alati sarnaselt kogutud ega infosüsteemi kirja pandud,” ütleb Vilo. Terviseinformaatika töörühmas nähakse Eestis Jaak Vilo, Sulev Reisbergi ja Raivo Kolde eestveda-

misel vaeva, et siinsed andmed oleksid võrreldavad Hollandi, Taani või ükskõik millise teise Euroopa riigi terviseandmetega. Teistes riikides teevad sealsed teadlased sarnast tööd, arendades ühtseid andmemudeleid ja tööriistu nende andmete analüüsiks. „Eesti ei mõtle siin midagi eraldi üksi ainult enda jaoks välja. Kõik riigid peavad koos töötama ühiste standardite ja vahendite nimel. Suurandmete abil saame väga palju rohkem olulist infot meie haiguste, ravimite ning raviprotsesside kohta,” rõhutab professor Vilo.

Andmekaitse väga tähtsal kohal Suurandmete, eriti tervishoius kogutu puhul on üheks kriitilisemaks teemaks andmekaitse – et üheski töötlemise etapis ei lekiks isiklikud delikaatsed andmed. Meil on e-tervise keskkond, digiretseptuur ja haigekassa raviarved. See on Vilo sõnul hea kombinatsioon. Kuid alles andmete turvalise ühendamise ja tulevikus nende eri andmete kooskasutuse kaudu saab luua uusi paremaid teenuseid. Andmete analüüsi ajal on need loomulikult täiesti anonüümsed. Selliste turvalisemate lahendusEesti IT Tippkeskus EXCITE


TERVISETEHNOLOOGIAD – ANDMEANALÜÜS

te loomisse, mis kaitsevad andmeid lekete eest ja ka andmete analüüsijate eneste eest, on panustanud ka Vilo uurimisrühm. Professor Vilo teab, millest ta räägib. Ta naasis Eestisse 2002. aastal just selleks, et panna alus Eesti geenivaramu loomisele, nii selleks vajaliku bioinformaatika suuna käivitamise kui ka esimese vajaliku sammuna terviseinfo koondamise lahenduste väljatöötamisele. „Teaduses tekib peamine kasu siis, kui olulised andmed kokku tuua ja võimaldada lisada ka teiste riikide koondatud vaade,” tõdeb ta siiski ning lisab, et loomulikult on terviseandmete töötlemise üheks oluliseks tahuks just andmete turvaline käitlemine. Toorandmed ega isiku kaupa andmed ei liigugi ühest riigist teise. Kuid samu analüüsimeetodeid kasutades saab omavahel kokku tuua ja võrrelda tulemusi. Samuti saab treenida tehisintellekti ühes riigis ja seda siis otse rakendada teises. Inimese genoomi ei saa lõpuni peita, kuid DNA info ei tohi niisama kusagile lekkida, eriti koos isikut tuvastava infoga, sest ka sugulaste DNA on omavahel sarnane. Kui tegemist on aga näiteks meid rünnanud viiruse RNA segmendiga, siis ei pea muretsema – see on piisavalt anonüümne, kinnitab professor. Selguse mõttes peab mainima, et tervise- ja genoomiandmeid kasutavaid teadustöid tehakse ainult eetikakomiteedele esitatud uuringukavatsuste ja nendele antud lubade baasil. Seal vaadatakse ka elementaarseid printsiipe andmehalduse ja -kaitse kvaliteedi kohta. Andmekaitse inspektsioon ja andmekaitse üldmäärus on olulised just laiemate suuniste alal, kuid need ei keela vajalike teadustööde tegemist, vaid pigem soodustavad seda. Loomulikult ei käi andmete küljes ei nimed ega isikukoodid, need eemaldatakse enne andmete uurimisrühmale väljastamist.

Tehisintellekti otsuse tõlkimine inimkeelde Viimasel ajal on järjest kasvanud tehisintellekti ja masinõppe meetodite arendus. Eriti popiks said need piltide analüüsis. Mikroskoop on aga arstide üks tööriistu olnud enam Eesti IT Tippkeskus EXCITE

Teaduses tekib peamine kasu siis, kui olulised andmed kokku tuua ja võimaldada lisada ka teiste riikide koondatud vaade. kui sada aastat. Seda kasutatakse, et analüüsida vähi koeproove või loendada eksperimendi jooksul mingeid teatud tüüpi rakke. See on alati olnud töömahukas protsess. Ehkki programme, mis rakke automaatselt loevad, on tehtud varemgi, siis tõelise hüppe sai kogu valdkond siis, kui plahvatuslikult kasvas fotode analüüsimise võimekus. Tehisintellekt tunneb fotodelt ära kassi, mootorratturi või Bill Clintoni. See osundab, et masinõpe on piisavalt kvaliteetne, et seda saaks ka meditsiini hüvanguks tööle panna. Jaak Vilo üks uurimisrühm tegeleb Leopold Partsi ja Dmytro Fishmani juhtimisel just pildianalüüsiga. Kassipiltide õpetamine arvutile

on ühelt poolt oluliselt lihtsam kui raku nägemine, sest tehisintellekti saab väga paljude erinevate kassipiltide abil treenida. Inimestele meeldib kasse pildistada ja neid internetti panna, kirjutades juurde sõna „kass”. Rakkude piltidega on veidi teised lood. „Et õpetada masinat, on vaja treenimiseks näidisandmeid,” kinnitab Vilo. Hoolsa käsitööga ette näidatud piirkondi markeerides või varem välja töötatud aeglaseid programme kasutades saab siiski piisavalt treeningandmeid kiire tehisintellekti õpetamiseks. Tehisintellekt teeb edaspidi ise ära selle töö, mis patoloogil või bioloogil muidu liiga kaua aega võtaks. Samuti on arvuti väsimatu ja annab iga kord samu, omavahel korratavaid ja võrreldavaid vastuseid. Pildianalüüsi on nüüd omakorda võimalik kombineerida terviseandmete ja tekstianalüüsiga ning tulemus on taas killuke lähemal uutele kvaliteetsematele lahendustele. Tehisintellekti kasutamisega kaasneb sageli veel üks oluline probleem. Seda kutsutakse n-ö musta kasti efektiks, kus arvuti, tehisintellekt, ütleb arstile, et tema otsus on selline ja sellega info piir-

EUROOPA TEADLASTE ANDMED JA TÖÖRIISTAD ÜHES KOHAS Euroopa bioloogiliste andmete valdkonna ühine võrgustik ELIXIR arendab ja haldab üliolulist infrastruktuuri suurte andmemahtude jagamiseks. Eesti on selle aktiivne asutajaliige. ELIXIR-i raames luuakse ja hoitakse käigus suuri teaduses kogunevaid andmebaase, mida kõik maailma teadlased ja ettevõtted saavad oma töös kasutada. Samuti arendatakse ja liidestatakse tööriistu, mida läheb vaja andmeanalüüsi töövoogudes, näiteks praegu viiruse RNA sekventsi analüüsiks. ELIXIR on rahvusvahelise lepingu alusel ellu kutsutud pikaajaline koostöö, mis jääb toimima aastakümneteks. Teadlane saab nii interneti kaudu ligi varasamatele andmestikele ja ise oma andmeid teistele kasutamiseks ja võrdluseks üles laadida. Nii on avaliku teadusrahastuse toel loodud andmed kõikidele parimal viisil tasuta ligipääsetavad ja kasutatavad. Kõige tähtsam on, et nii saab andmeid omavahel võrrelda, teiste saadud tulemusi valideerida ja oma ideid edasi arendada. Lisaks luuakse ühiseid standardeid, formaate ja liidestusi tööriistade vahel ning tehakse koolitusi kasutajatele kõigist ettevõtetest ja teadusasutustest. Euroopa teadlased tegutsevad ikkagi ühiste eesmärkide nimel, edendades nii meie kõigi tervishoidu, ravimifirmasid kui ka erinevaid põllu- ja biomajanduse ettevõtteid.

19


MIDA TOOB TULEVIK ISALE JA TÜTRELE? Isa Toomas (30) ja tütar Emma (5)

dubki. Kuidas aga teha kindlaks, mis on selle otsuse taga? Jaak Vilo rühma üheks tuleviku ülesandeks on andmeanalüüsi tulemus inimesele ka lahti seletada ehk vastata küsimusele, miks tehisintellekt just sellise tulemuseni jõudis või kui kindel see otsus on. „See on väga oluline. On suur vahe, kas otsus on täiesti kindel või 50/50. Meil tegeleb otsustuse kalibreerimisega kaasprofessor Meelis Kulli töörühm,” ütleb Vilo ja lisab, et teadus liigub sel teemal edasi veel küllalt väikeste sammudega. Samuti on tehisintellekti ja sügavate närvivõrkude alal koostöö professor Raul Vicente Zafra töörühmaga ning äriprotsesside alal professor Marlon Dumas’ töörühmaga.

Andmeanalüüs igas valdkonnas Jaak Vilo toob välja, et bioinformaatika jaoks välja töötatud erinevaid meetodeid saab tihti kasutada ka teistes valdkondades alates meediatekstide analüüsist kuni ärimaailmas tarvis olevate analüüside ja isejuhtivate autodeni välja. Vilo uurimisrühma vilistlane, Wise’iga maailma vallutav Kristo Käärmann on öelnud, et just teaduses omandatud analüüsioskuseid ja teadmisi on tal vaja läinud ta enda äris, milles on väga suur rõhk just andmepõhisusel. See on selge näide, et tegemist on valdkondadeülese distsipliiniga. Andmeteadlased, keda Tartu Ülikoolis suuremas mahus koolitatakse, võivad nii tuua muutusi kaasa kõikjal, kus vähegi mingeid andmeid kogutakse.

Selleks, et andmed oleks kasutatavad ja kasulikud, peab nende halduses järgima FAIR-printsiipi: nad on leitavad (findable), ligipääsetavad (accessible), ühilduvad (interoperable) ja taaskasutatavad (reusable).

20

Personaalmeditsiin läheb aina detailsemaks. Arstid saavad Toomase ja Emma terviseseisundi kohta automaatseid ohuteateid enne, kui nad hakkavad välja kirjutama tegelikkuses mitte mõjuvaid ravimeid. Professor Vilo juhtimisel on Tartu Ülikooli poolt ehitamisel riiklik infrastruktuur, mis peaks geneetilist andmestikku hoidma ja arstidele kättesaadavaks tegema. Andmeteadlased on muutunud ettevõtete, riikide ja organisatsioonide tähtsaimateks tegelasteks – Emma on võib-olla üks neist tähtsatest inimestest. Kõiki olulisi statistilisi andmeid täiendatakse dünaamiliselt Toomase ja Emma digiloos. Digilugu suudab paremini lugeda nii inimene ise kui ka tehisintellekt. DNA on saanud tervisekontrolli ja testimeetodite valikulise rakendamise kõige olulisemaks tahuks. Andmed on omavahel märkamatult ühenduses ning varajasi ohusignaale saavad nii Toomas ja Emma kui ka nende arstid. Õnnetuspaikadelt ja kiirabist liigub kogu oluline andmestik kohe haiglatesse. Eetika ja tehnoloogia käivad sünkroonis, otsides parimaid viise, kuidas edendada tõenduspõhist meditsiini. Eesti andmeteadlased loovad ettevõtteid, mis pakuvad usaldusväärseid teenuseid teiste riikide tervishoiusüsteemidele. Isale ja tütrele on rahustav teada, et globaalseid pandeemiaid hoiab tulevikus paremini ära ultrakiire ja dünaamiline vaktsiinide tootmine. Uue viiruse ja iga tema uue variandi vastu leitakse bioinformaatika meetoditega uus RNA sekvents, mis sünteesitakse tootmistsehhis ja pakendatakse sarnasesse „kesta” nagu praegu Pfizeri vaktsiin koroonaviiruse vastu. Tartu Ülikooli teadlastega koostöös luuakse uusi immuunsüsteemi aktiveerivaid vaktsiine kõigi sagedasemate vähkide vastu. Toomasele on tähtis, et nii kasvab Emma tervena elatud eluaastate arv vähemalt 80-ni.

Eesti IT Tippkeskus EXCITE


TERVISHOIUTEHNOLOOGIAD – NUTIKAS ELEKTROONIKA

Yannic Le Moullec

rakendab elektroonikat terviseja keskkonnarakendustes

Yannic Le Moullec rakendab elektroonikat tervise- ja keskkonnarakendustes Yannick Le Moullec ja tema meeskond Tallinna Tehnikaülikoolist (TalTech) rakendavad eri elektroonikalahendusi terviseteemalistes rakendustes ning muudes valdkondades. See võib tuua tervise- ja keskkonnarakenduste maailma suure muutuse.

V

ananev rahvastik ja keskkonnahoid on kaks teemat, mis mõjutavad meie ühiskonda tänapäeval ning eeldatavalt ka tulevastel kümnenditel. 2020. aastal oli maailmas 60- ja üle 60-aastaseid rohkem kui alla 5-aastaseid lapsi. 2050. aastaks võivad üle 60-aastased inimesed moodustada kuni 22% maailma rahvastikust. See on suur katsumus sotsiaal- ja tervishoiusüsteemidele ning võib tekitada vajaduse täiustada jälgimis- ja abiseadmeid nii vanematele inimestele kui ka nende hooldajatele. Le Moulleci sõnul „saab suundumused välja selgitada mitmesuguste kasvuprognooside järgi. Meditsiiniandurite turg kasvab 2020.–2030. aastatel eeldatavasti 7,8% ja keskkonnaandurite turu oodatav kasv on ainuüksi 2021.–2026. aastal üle 9,25%, kasvades 2,7 miljardi dollarini.” Prantsuse päritolu Le Moullec on TalTechis töötanud 2013. aastast: alguses vanemteadurina ja 2017. aas-

Eesmärk on mõõta algoritmide ja elektroonika abil inimkeha omadusi, kasutades elektrisignaale isiku kehal, keda parasjagu uuritakse. Eesti IT Tippkeskus EXCITE

21


tast Thomas Johann Seebecki elektroonikainstituudis professorina. Ta ühendab programmi EXCITE raames kaks elektroonikaprojekti, mida saab rakendada meditsiinis. „Need käsitlevad tervishoidu, kuid põhitöö ja uudsus seonduvad elektroonikavaldkonnaga,” kirjeldab Le Moullec. Ta ütleb, et kuna tegemist on mõõtmiselektroonika teemadega, keskendutakse meetoditele, algoritmidele, kognitiivsele elektroonikale ja impedantsianduritele, mis tuvastaksid bioelektrilise impedantsi (BI) signaalid. Eelistatavalt toimuks see kontaktivabalt, täpsemalt magnetinduktsiooni abil. Üks proovikive on südame-veresoonkonna andmete hankimine mürarikastest keskkondadest ja hermodünaamiliste parameetrite hindamine, nagu arteriaalne vererõhk, mida mõõdetakse meie käsivarre radiaalarteri bioelektrilise impedantsi abil. Patsiendid ja arstid üle kogu maailma tajuksid muutust kohe. „Eesmärk on mõõta algoritmide ja elektroonika abil inimkeha omadusi,

22

Mõõteelektroonika uurimisrühm arendab välja prototüüpi, mis mõõdaks arteriaalset vererõhku käsivarrest spetsiaalse käevõru abil, mis on palju mugavam kui tänapäeval kasutatav standardne mõõteviis.

kasutades elektrisignaale isiku kehal, keda parasjagu uuritakse. Tavaliselt tehakse uuringuid jalal ja käel. Elektrisignaal läbistab koekihte, muutes signaali omadusi, misjärel saame olulist teavet kehas toimuva kohta,” selgitab Le Moullec. Mõõteelektroonika uurimisrühm arendab välja prototüüpi, mis mõõdaks arteriaalset vererõhku käsivarrest spetsiaalse käevõru abil. See meetod on palju mugavam kui tänapäeval kasutatav standardne mõõteviis. Rühma peamiste teadlaste hulka kuuluvad professor Olev Märtens ja emeriitprofessor Mart Min. Nende juhtimisel analüüsivad teadlased signaale ja arendavad välja algoritme, mis aitaksid hankida veelgi informatiivsemaid signaale. Kontaktivaba meetod, nagu käevõru kasutamine, on osutumas palju mugavamaks kui praegune alternatiiv – Holter-monitooring. Holtermonitori pole nii lihtne kanda, kuna plaastrid ei püsi paigal, tekitades elektrimüra ja segades kogu protsessi. Nii haiglad kui ka arstid on uuest Eesti IT Tippkeskus EXCITE


TERVISHOIUTEHNOLOOGIAD – NUTIKAS ELEKTROONIKA

meetodist väga huvitatud, kuna see on kiirem ja lihtsam: „Ühe prototüübiga oleme üsna kaugele jõudnud, aga see on veel laboristaadiumis,” sõnab Le Moullec. Sellist innovatsiooni võib patentida ja Le Moulleci meeskond on selles tööetapis juba varem olnud. Leiutis plaanitakse ka turule tuua. Kuigi nemad pole ainus uurimisrühm, kes selles vallas tegutseb, on tegemist siiski ainulaadse nähtusega bioelektrilise impedantsi valdkonnas. Nende meetodit saab kasutada muudeski seadmetes: professor Le Moullec avalikustab, et uurimisrühm töötab välja ka teisi (bio)impedantsipõhiseid kasutusviise (näiteks metallide mõõtmist). „Nendega pole jõutud nii kaugele kui südame-veresoonkonna meetoditega, kuid töö nende kallal jätkub. Seade tuleb teistsugune, kuid peamine on impedants,” lisab ta.

Väike nutiseade muudab palju Teine Yannick Le Moulleci moodustatud töörühm, keda tuntakse Labon-a-Chipi nime all, töötab murrangulise seadme kallal, mis võib tuua

Eesti IT Tippkeskus EXCITE

Oleme seadnud endale ülikõrged standardid. Meie laskusime üksikasjadesse, et võtta sellest viimast.

meditsiinisektorisse läbimurde. Eesmärk on luua kasutusmugav, automaatne ja kaasaskantav (Lab-ona-Chip) bioanalüsaator, mille abil saaks teha tavapäraseid laborianalüüse ning analüüsida rakke, nt bakterite antibiootikumiresistentsust, eristada vähirakke tervetest rakkudest jne. Le Moullec mainib, et viimasel ajal on nad rakendanud oma töös kont-

23


TERVISHOIUTEHNOLOOGIAD – NUTIKAS ELEKTROONIKA

septsiooni tõestamise meetodit, et luua madala hinnaga kaasaskantav läbivoolutsütomeeter, mille töö põhineb mikrovedelikel, mida kasutatakse bakterianalüüsiks. „Kognitiivse elektroonika abil on süsteem täisautomatiseeritud ja seda on lihtne kasutada alates proovi andmisest kuni tulemuse saamiseni. Mainitud tööetappe alustati projekti EXCITE raames ning arendatakse nüüd edasi ETAgi projektis PRG620 (mida juhivad emeriitprofessor Toomas Rang ja vanemteadur Tamas Pardy) koostöös TalTechi keemia- ja biotehnoloogiainstituudiga,” selgitab Le Moullec.

Põhitulemused kohapealt Nad arendavad välja kaasaskantavat seadet, mis analüüsiks rakuomadusi, sh nende numbrit, morfoloogiat ja

24

diferentseerumist. Praegu kogutakse seda teavet inimestelt suurte ja kallite seadmete abil, et seda seejärel laboris analüüsida. Säärane protsess võtab tunde või isegi päevi enne, kui saadakse tulemused. Lab-on-a-Chip suudaks tulemused tagada kohapeal, olgu see õnnetuskoht või patsiendi kodu. „Tahame saada oma kontseptsioo-

nile kinnitust, luua läbivoolutsütomeetri prototüübi. Kogutud proovid segatakse kokku kindlate vedelikega ja vedelik liigub läbi mikrokiibi, mida me välja arendame. On mikrotorukesed, kus see vedelik ringi liigub, ja seejärel puutub see kokku luminofoorvalgusega. Valgust kasutatakse reaktsiooni tekitamiseks. Lisaks kasutame fotode tegemiseks kaamerat ja tehtud pildid tuleb analüüsida,” ütleb Le Moullec. Ta lisab, et piltide ja signaalide analüüsiks kasutatakse täiustatud algoritme ning meetodeid. Valmistoode peab olema väike ja kaasaskantav, seega peavad mikrokiibid olema piisavalt võimsad. Olemasolevatel seadmetel on märkimisväärne andmetöötlusvõimsus, kuid nad on suured ja väga kallid. „Me üritame seadme hinda alandada. Selleks vajame nutikamaid algoritme. Peame olema natuke säästlikumad.” Eesti IT Tippkeskus EXCITE


Märksa odavam lahendus Seadme maksumus on üks tähtsamaid aspekte, mis teeks selle kättesaadavaks piiratud eelarvega riikidele ja piirkondadele. Lahendusena ei ole vaja soetada palju kallihinnalist laborivarustust. Le Moullec tõdeb, et palju tööd ootab veel ees. Olulisemad uuendused tuleb patentida enne, kui need artiklites avaldatakse. Praegu arendab töörühm välja eri osi ja keskendub mikrovedeliku kiibi kujundusele, mis on veel katsefaasis. „See on juba päris hea,” ütleb Le Moullec. Mis aga puutub kaamerate anduritehnoloogiasse, algoritmide rakendamisse ning kõigesse muusse, mis on seotud pildianalüüsi ja bakterituvastusega, siis need on veel algusjärgus. „Alustasime tööd veidi rohkem kui aasta tagasi,” räägib ta.

Standardid on ülikõrged Yannick Le Moullec räägib ka kolmandast projektist, mis pole tervishoiuvaldkonnast – traadita rohelisest internetist. Põhiküsimus on energiatõhus tehnoloogia: milliseid algoritme, riistvara ja meetodeid kasutada? Kuna maailm harjub 5G-ga ja internet üha areneb, hakatakse aina rohkem kasutama andureid. Nende energiakulu ei tohi olla liiga suur. Seadmed peavad olema tõhusad ja samas kestma väga pikka aega. Standardite järgi on osa seadmeid, nagu NB-IoT moodulid, võimelised ilma akuvahetuseta töötama kõige rohkem kümme aastat. Teeme koostööd Eesti telesideoperaatoritega, lisaks tunnevad meie vastu huvi mobiilsideoperaatorid ja teised sektorid. Seda saab kasutada aruka võrgu seires, veejaotussüsteemides jne,” ütleb Le Moullec ning lisab, et nad on ära teinud suure töö ja töötanud projekti kallal juba neli aastat. „Oleme seadnud endale ülikõrged standardid. Teised töörühmad üle maailma kasutavad ainult seda tehnoloogiat, kuid meie laskusime üksikasjadesse, et võtta sellest viimast,” selgitab Le Moullec. Kõik Yannick Le Moulleci uuritav vaatab tulevikku, olgu see tervishoid või energiakulu, mis on mõlemad vajalikud uurimisteemad kogu maailmas. Eesti IT Tippkeskus EXCITE

MIDA TOOB TULEVIK ISALE JA TÜTRELE? Toomas (30) ja tema tütar Emma (5) peavad teadma, et täpseks terviseseireks, uuringuteks ja arenduseks peab arvestama nii mitteinvasiivsete andurite (biokleebised, tätoveeringulaadsed andurid) kui ka invasiivsete, siiratavate andurite kasutust. Need kombineeritakse uuendusliku vähese energiakuluga traadita sidetehnoloogiaga, et tagada analüüs ja diagnostika distantsilt. Eeldame, et 2050. aastaks muutuvad terve keha seire, varajane avastamine, ennetus ja personaalmeditsiin tavanähtuseks,” ütleb Yannick Le Moullec meie isa-tütre duole. Mis aga puutub keskkonda, siis peame tegelema kliima ja elurikkuse kriisidega. Üleilmsed algatused ja programmid, nagu Euroopa Komisjoni roheline kokkulepe, aitavad saavutada süsinikuneutraalsust ning kestlikku majandust. Selle liikumise ühe osana peame välja arendama keskkonnahoidliku elektroonikasüsteemi kogu tarneahela ulatuses: loodusvarade kaevandamisel ja optimeerimisel ning uute materjalide, koostisosade ja ökodisaini puhul. See peaks olema süsinikuvaba tarneahel, protsessid peavad olema jätkusuutlikud, kasutusele tuleb võtta ringmajandus jms,” ütleb Le Moullec. Ta soovitab isal ja tütrel luua äriideena uut tüüpi elektroonikakomponendid, sh painduva elektroonika, orgaanilise elektroonika, laguneva ja biolaguneva elektroonika, lagunevatest või biolagunevatest polümeeridest 3D-prinditud elektroonika, energiakogumise jms vallas. Toomas võib olla valmis selle suundumusega kaasa minema, sest juba praegu eksisteerivad keskkonnahoidlikumad biolaguneva elektroonika esimesed prototüüpid. „Mõlema nähtuse puhul on palju võimalusi ja vajadus teha edasisi uuringuid ning arendada välja uute tehnoloogiate kasutamise võimalusi. Ettevõtjad peavad peale uute arengusuundade mõistmise haarama võimalusest ning panustama ringmajanduse suunamuutustesse, kaasavatesse ärimudelitesse jne,” selgitab Le Moullec. Kui inimkond selleks ajaks veel ei kao, võib Emma Le Moulleci sõnul näha oma elu jooksul transhumanismi ilmingut, vähemasti selle tehnoloogilist poolt. Selle tulemusel inimene areneks ja muutuks paremaks. Tehnoloogia aitaks meil kauem elada ja parandada meie tuju ning tagaks meile enneolematud kognitiivsed võimed. Tehnoloogiate nimekiri, mis sellised muutused tagaks, on väga pikk. Neist tähtsaimad on bio-, nano- ja infotehnoloogia ning kognitiivteadus. Ka teised tehnoloogiad, nt tehisintellekt, 3D-bioprintimine ja krüoonika, mängivad rolli transhumanismi elluviimisel. Emma elu võib kujuneda tema isa omast väga erinevaks nii pikkuse kui ka terviseseisundi poolest. Samal ajal või eelmainitu vastandina võib tähelepanu keskmesse tulla ereroheline keskkonnateadlikkus ehk puhtad, turvalised ja sotsiaalselt uuenduslikud tehnoloogiad, mis võimaldavad saavutada kestliku arengu. „Näiteks võiksid nano- ja biotehnoloogia korvata keskkonnale põhjustatud kahju,” võtab Le Moullec kokku. Ehk saab Emma tunnistajaks rohelisemale maakerale.

25


Raul Vicente Zafra soovib, et mõistaksime tehisintellekti 26

Raul Vicente Zafra on Hispaania füüsik ja neuroteadlane. Ta soovib, et mõistaksime tehisintellekti, sest tehisintellekti olemasolu meie elus on üks asi, kuid tõeline mõistmine, kuidas ja miks tehisintellekt teatud otsuseid teeb, on hoopis midagi muud. Need otsused võivad lõpuks mõjutada meie elu. Eesti IT Tippkeskus EXCITE


ARVUTUSLIK NEUROTEADUS

Z

afra asus 2013. aastal esialgu tööle Tartu Ülikooli bioinformaatika õppetooli ning sai hiljem arvutusliku neuroteaduse vanemteaduriks. Alates 2013. aastast on ta juhtinud arvutiteaduse instituudi arvutusliku neuroteaduse uurimisrühma. Ta ütleb, et tema valdkond asub neuroteaduse ja tehisintellekti ristteel, eesmärgiga viia tähtsate probleemide lahendamiseks ideed ajuuuringutest tehisintellektini ja vastupidi. „Inimaju uurides ei ole lihtne mõista, kuidas neuronid koostööd teevad, et võimaldada kõike, mida mõtleme ja teeme, kuid masinõppest ja algoritmidest võime leida vihjeid sellest, mis inimajus toimub,” kirjeldab ta. Need tehisintellekti algoritmid võivad mõnel juhul töötada väga professionaalsel tasemel, kuid ei lahenda kõiki probleeme. „Saame võrrelda, kuidas inimesed ja masinad probleeme lahendavad, leida sarnasusi ja erinevusi, ning on veel palju, mida plaanime uurida,” ütleb ta. Zafra tunnistab, et kuigi kümme aastat tagasi ei tegelenud tema veel tehisintellektiga, algas masinõppes siis revolutsioon, ja sellest ajast saadik on toimunud tohutult palju muutuseid. Masinnägemine, st kaameraga esemete tuvastamine, on andnud hoogu isejuhtivate autode arendamisele. Tema sõnul oleme läbinud usku-

matu teekonna, jõudmaks tänasesse päeva. Tehnoloogia eksib tänapäeval palju vähem kui mõni aasta tagasi. „Neid lahendusi saab kasutada praktilistes seadmetes, näiteks mobiiltelefonides ja autodes, rääkimata vestlusrobotitest ning võimalusest lugeda ja väljastada teavet uskumatust hulgast dokumentidest. Vastused, mida need algoritmid igapäevaküsimustele annavad, on juba sarnased sellega, kuidas inimesed ise mõne lõiguga vastavad ja kirjutavad,” ütleb ta. Algoritmid, mis loevad ja väljastavad teavet, on väga kasulikud ka tippteadlastele, sest nad tunnevad vaid murdosa oma valdkonnas kirjutatud artiklitest ja teesidest. Aastas kirjutatakse kümneid tuhandeid artikleid ainuüksi Alzheimeri tõvest. Ühelgi inimesel pole võimalik koguda nii palju andmeid ja teadmisi. „Tehisintellekti algoritmid saavad lugeda asjakohaseid dokumente ja kogutud teabe põhjal väljastada teadmisi mudelite kujundamiseks. Seejärel teisendatakse teave praktiliseks kasutamiseks, seega võib seda tüüpi tehnoloogia tulevikus muuta teaduse tegemise viisi.” Parem tehnoloogia paneb aluse veel paremale tehnoloogiale ja sellest tulenebki kiire tempo – keegi ei kujutanud ette, et see nii kiiresti juhtub. Ta rõhutab, et oleme jõudnud punkti, kus tehisintellekt ei ole pelgalt ettevõtete konkurentsieelis, vaid tehisintellektil põhinevad la-

hendused on hädavajalikud. See on väga oluline neile, kes soovivad kasutada andmeid tõhusamalt ja pakkuda personaalsemaid teenuseid. Kui tahame oma ressursse paremini kasutada, on tõhusam kaotada tarbetu töö ja keskenduda nutikamatele ülesannetele. „Tänapäevaste ettevõtete jaoks ei ole tehisintellekt enam lihtsalt eelis. See on ilmselge – kui te seda omaks ei võta, olete võistlusest kõrvaldatud ja lõpuks kaotate. Suur osa sellest tehnoloogiast tuvastab mustreid millegi prognoosimiseks, seda kasutatakse laialdaselt kõigis ärisektorites,” põhjendab ta.

Tehisintellekt ja DNA Seejärel räägib Raul Vicente Zafra koostööst EXCITE-s, mille käigus püüti tuvastada kas inimese koe, elundite või metsast või vee alt kogutud mulla proovides leidub viiruse DNA-d. Teadlased soovivad teada, millised organismid meie kehas ja kehal elavad, loomulikult äratavad eriliselt suurt huvi viirused ja nende DNA. „Hakkasime kasutama tehisintellekti kaks aastat tagasi, leidmaks DNA-s mustreid, mille abil tehisintellekti algoritmid saaksid ennustada, kas antud proovis on viirus. Tegime koostööd Stockholmi Karolinska Instituudiga. Nemad andsid meile patsientidelt võetud andmed ning meie töötasime tehisintellektiga. Ole-

Oleme jõudnud punkti, kus tehisintellekt ei ole pelgalt ettevõtete konkurentsieelis, vaid tehisintellektil põhinevad lahendused on hädavajalikud.

Eesti IT Tippkeskus EXCITE

27


me selle projekti lõpetanud ja tahame järgmisena minna üle RNA-le,” ütleb ta. Tartu poolelt juhtis EXCITE uuringut Zafra endine üliõpilane, doktor Ardi Tampuu. Tavaliselt tuvastavad teadlased erinevad inimproovidest kogutud järjestused ja võrdlevad neid tohutu andmebaasiga, kus on kirjas kõik inimesele teadaolevad järjestused. Püütakse mõista, kas üks proov sarnaneb järjestusega, mis on liigitatud viiruseks. „Põhiprobleemiks on siin see, et on olemas ka tundmatuid viiruseid, mis juba teadaolevatest viirustest erinevad. Püüdsime tehisintellekti ja masinõpet kasutades ennustada, otsides viirustele viitavaid mustreid, ja tuvastada viiruseid, mida mainitud andmebaasis ei ole,” ütleb ta.

RNA puhul on lootused kõrgel Zafra sõnul pööravad nad nüüd tähelepanu RNA-le, kuid üksikasjadesse on natuke liiga vara laskuda, kuna uuringud on alles algusjärgus. Ent nad ennustavad, et RNA tulemused on DNA tulemustest täpsemad. Viimane annab teavet, kuid RNA näitab paremini, milliseid valke teatud viirus toodab.

28

Me kavatseme eksperimenteerida, töötada välja arvutiprogrammi, mis selgitab nagu inimene, ja laseme inimestel süsteemi veelgi parendada. „Loodame, et RNA annab meile otsese ühenduse viiruse esinemisest nendes proovides. Mõnes mõttes on RNA parem andmeallikas. Meie partneriks on taas Karolinska Instituut,” ütleb ta.

Suured ettevõtted on tehisintellektiga juhtpositsioonil Nagu mainitud, hakkas sügavõpe umbes kümme aastat tagasi plahvatuslikult kasvama. Üle maailma tegeleb samade probleemidega palju teadlasi, nad panustavad igal aastal tuhandeid ja tuhandeid sel teemal kirjutatud lehekülgi. Zafra sõnul on

tal raske öelda, kus me praegu oleme. „Seda pole lihtne jälgida, teadlased tegelevad korraga paljude probleemide ja rakendustega ning tempo on jõuline,” ütleb ta. „Kui teadlased nagu meie poleks kaasatud, oleks teadmised ja tehnoloogiline valmisolek ainult nii suurtel ettevõtetel nagu Google.” Suured mängijad on tugevalt kaasatud ja lisaks tohututele andmepankadele on neil olemas vajalikud arvutus- ja inimressursid. Ainult Google‘il, Facebookil ja veel mõnel suurel ettevõttel on võimalused massiivsete algoritmide edasiarendamiseks, neil on võim teha ulatuslikke katsetusi ja mõõtmisi. Just nendest aspektidest saavad algoritmid tohutul hulgal andmeid.

Tehisintellekt ei saa olla oraakel Zafra räägib meile ka teisest projektist nimega Trust AI. Selleks anti neile uurimistoetus möödunud aasta septembris ja see kestab kokku neli aastat. Koostöö toimub Portugali teadlaste, Prantsusmaa ja Hollandi ülikoolide ning kolme ettevõtte vahel. Üks ettevõte tegeleb energialahendustega, täpsemalt prognoosimisega. Teise fookuseks on haigla, mis uurib ebatavalise kasvaja meditsiiniEesti IT Tippkeskus EXCITE


ARVUTUSLIK NEUROTEADUS

juhtumit. Kolmas on suur jaemüügiettevõte, kes soovib oma logistikat ja tarneid optimeerida. „Siin on võtmeaspektiks see, et me ei soovi, et tehisintellekt pakuks vaid lahendusi, vaid soovime neid lahendusi mõista. Otsuseid on vaja selgitada, öelda, miks tehisintellekt sel viisil mõtleb,” selgitab Zafra. Tehisintellekt kerkib meie elus ja ettevõtetes üha enam esile ja seetõttu on meil vaja teha tehisintellektiga koostööd ja arendada mõistmise kaudu usaldust, mitte käsitleda seda pelgalt oraaklina,” ütleb ta. See on valdkonna üks olulisemaid teemasid. Inimesed otsivad põhjuslikke selgitusi, mis ei erine laste uudishimust. Nad küsivad pidevalt „miks?”. On teada, et meile kui liigile meeldib asjadest aru saada ja ise otsustada, kas selgitus meid rahuldab või mitte. Mõistmine, millel otsus põhineb, loob usaldust. Zafra ütleb, et veel üks oluline põhjus on läbipaistvuse küsimus – tehisintellekt võib olla eelarvamuslik. Tehisintellekti otsused võivad põhineda millelgi ebasoovitaval. Peate suutma selle tuvastada ja viima

Kui tehisintellekt suudab oma otsuseid põhjendada, võtavad inimesed selle oma ellu kergemini vastu. sisse parandused. „On ka juriidilised põhjused, miks tehisintellekti otsused peavad olema seletatavad. Näiteks on inimestel õigus teada, miks tehisintellekti juhitud süsteem neile laenu ei anna. Algoritm võib otsustada keelduda ainult rassi, soo või mõne muu sarnase aspekti tõttu. Tehisintellekt leiab võimalikult lihtsa viisi ja võib teha otsuse ebaõiglaste aspektide põhjal,” selgitab Zafra.

Pilk sellele, kuidas inimesed selgitavad Sügavõppe valdkonnas tehtud edusammud näitavad, et tehisintellekt õpib edukalt, kuid tal on raske end väljendada. Sügavõppemudelis võib

olla miljardeid parameetreid ja neid kõiki selgitada on väga keeruline. Üheks lahenduseks võivad olla geneetilised algoritmid, kus saab lugeda ja tõlgendada selgesõnalisi valemeid. Inimaju on väga keeruline, ometi oleme võimelised end teistele selgeks tegema nii, et teised peavad meie selgitusi kasulikuks või prognoositavaks. „Kirsiks tordil on meie Tartu grupi on ainulaadne roll, arvestades meie mitmekülgset tausta neuroteaduses ja tehisintellektis. Saame inspiratsiooni sellest, kuidas inimesed selgitusi jagavad, ja viisidest, kuidas meile meeldib selgitusi saada. Psühholoogid on seda dokumenteerinud aastakümneid, nii saame neid teadmisi kasutada ja neile tugineda. Soovime neid elemente kasutada, et valida inimestele sobivamad, tõhusamad, lühemad ja lihtsustatud geneetilise programmeerimise valemid,” kirjeldab ta. Inimesed suudavad lühikokkuvõtete abil oma mõtteid ja teadmisi lihtsustada. Esmalt peate teadma, mida teine juba teab. Te ei tahaks tüüdata inimesi sellega, mida nad teatud tee-

Arvutusliku neuroteaduse uurimisrühm Tartu Ülikoolis

Eesti IT Tippkeskus EXCITE

29


ARVUTUSLIK NEUROTEADUS

MIDA TOOB TULEVIK ISALE JA TÜTRELE? Isa Toomas (30) ja tütar Emma (5) Raul Vicente Zafra ütleb kõigepealt meie isale ja tütrele, et tulevikku ennustades kipume muutma seda lineaarseks – vaatame teed, millel kõnnime, ja ennustame, kuhu see meid viia võib. Me lihtsalt pikendame teekonda. „Kuid on kurve, ootamatuseid ja pöördeid,” selgitab ta.

mast juba teavad. „Kuidas koostada selgitus, mis võtab arvesse seda, mida teine teab, ja rõhutab seda, mida ta ei tea?” ütleb ta. Projektiga töötab viis kuni kuus inimest, peamiselt Tartu Ülikooli arvutiteaduse instituudist. „Me kavatseme eksperimenteerida, töötada välja arvutiprogrammi, mis selgitab nagu inimene, ja laseme inimestel süsteemi veelgi parendada. Selle teabe lõpptarbija on ju inimene.”

Ainulaadne meetod On kindel tõsiasi, et Zafra uurimistöö keskendub kõigile inimestele ja kogu maailmas tehakse tehisintellektiga seotud probleemidele lahenduste leidmiseks rohkelt pingutusi. Nad proovivad sellegipoolest paljusid ainulaadseid meetodeid. Zafra ütleb, et kui see kõik oleks nii lihtne, siis oleks lahendus juba ilmne, kuid nagu kõik revolutsiooniliselt tööstust muutvad protsessid, võtab seegi aega. „On ka neid, kes ütlevad, et seda ei ole võimalik saavutada, et tehisintellekti otsuseid ei ole lihtsalt võimalik inimestele selgitada. Et peaksime lihtsalt alla andma ja ütlema, et tehisintellekt on oraakel, aga kui tehisintellekti funktsionaalsus paraneb ja kasutame seda juba igal pool, tahame sellega koostööd teha. Kui tehisintellekt ei suuda meile selgitada, miks ta midagi otsustas, siis koostööd ei toimu,” arvab Zafra. Kui tehisintellekt suudab oma otsuseid põhjendada, võtavad inimesed selle oma ellu kergemini vastu. Tervishoius on tõenäoliselt alati viimane sõna arstil, kuid ka arst peab tehisintellekti usaldama, kui teeb selle ettepanekul põhineva otsuse. Zafra ja tema meeskond teevad just seda, püüdes veenduda, et arendaksime tehisintellekti andma väljunditele inimlikumaid selgitusi.

30

Ta nendib Toomasele ja Emmale, et tehisintellekt on selleks, et jääda, ja selle osakaal saab meie ühiskonnas ainult kasvada. „Öeldakse, et järgmine suur teema on robootika. Nende roll tööstuses on tohutu, kuid arvan, et võime öelda, et robootika on kõigile kättesaadav, kui igas majapidamises on 1000-eurone robot, kes teeb üldiseid kodutöid. Ta ei ime ainult tolmu ega valmista toitu, vaid täidab erinevaid ülesandeid,” ennustab ta. Tagasisideahelaks nimetatud nähtus võimaldab mõnel sektoril kasvada palju kiiremini, kui see on tehisintellekti ja robotitega tõeliselt kohanenud. Need, kes jäävad maha, kõrvaldatakse võistlusest, hoiatab professor Zafra. Ta hoiatab ka Toomast ja Emmat: sama nähtus – tagasisideahel – on olemas ka sotsiaalmeedias. „See teeb mulle kõige rohkem muret. Algoritme saab kasutada ka polariseerimiseks, kajakambrite loomiseks. Inimesed, kellega teil on samad huvid, annavad teile meeldivat teavet, ja see viib meid nendega ühistesse mullidesse. Mõistate ja austate ainult neid, kes on teie mullis, väljaspool olijaid tehakse maha ja tõrjutakse. Te oleks justkui eri liigist ja suhtleks teise laagri inimestega; see võib kahjustada meie arengut ja koostööd ühiskonnana,” usub Zafra. Ta pöördub Emma poole ja ennustab, et saja aasta pärast, kui oleme tervishoiu isikupärastanud, on Alzheimeri tõbi ja muud psüühikahäired loodetavasti minevik. Tehisintellekt võiks meid muuta ka targemaks ja loodetavasti empaatilisemaks, kui seda kasutataks heal otstarbel. „Läheb kas väga hästi või väga halvasti. Kuid üks on kindel – üha suurema teabehulga abil saame teha paremaid otsuseid.”

Eesti IT Tippkeskus EXCITE


ARVUTITEADUS, KRÜPTOLOOGIA

Eesti e-riiki ehitanud

Peeter Laud:

vaktsineerimist saanuks korraldada palju tõhusamalt Cybernetica AS-i vanemteadurit Peeter Lauda võib liialdamata nimetada üheks krüptoloogia ja krüptograafiliste protokollide analüüsi alusepanijaks Eestis. Ta sai doktorikraadi 2002. aastal Saksamaalt Saarimaa Ülikoolist, olles kõigest 25-aastane.

T

ema teadusuuringute eesmärk on olnud vältida turvaintsidente keerulistes tarkvarasüsteemides. Seda süsteemide programmikoodi staatilise analüüsi teel, mis lubab programmide korrektsuses ja turvalisuses veenduda programmi ennast käivitamata. Pole siis ime, et tema uurimisrühmal on oluline roll ka Eesti e-riigi turvalisuse kontrollimisel ja parandamisel. Praegugi analüüsivad nad mitmeid ettepanekuid, mis on seotud näiteks e-valimistega. „Konsulteerime ka Riigi Infosüsteemi Ametit (RIA). Kui on tarvis midagi analüüsida, suudame seda teha – anda garantii, et teatud klassidesse kuuluvad ründed ei saa olla edukad. Oleme teinud ka suuremate süsteemide turvaanalüüse ja arvutanud rünnete maksumusi,” alustab Laud. Viimane tähendab, et Laud ja tema meeskond püüavad selgeks teha, kui kerge, raske, odav või kallis on konkreetse ründe läbiviimine. Kui tõenäoline on, et PIN-kood ära arvatakse? Milline on tõenäosus, et ründaja vahele jääb? „PIN-koodi puhul võib olla tulemuseks näiteks, et maksumus on null ja tõenäosus üks kümnele tuhandele.”

Eesti IT Tippkeskus EXCITE

31


E-riigi turvalisuse tagaja Turvalisuse teema on ja jääb IT-süsteemide võtmekohaks. Peeter Laud usub, et teadlaskond pakub välja üha paremaid analüüsimeetodeid ning nende abil osatakse aina suuremaid ja võimsamaid süsteeme lõpuni analüüsida. „Et väga suurte süsteemideni jõuda, tuleb osata analüüside tulemusi komponeerida nii, et eri alamsüsteemide jaoks tuvastatud turvaomadused oleksid ühildatavad ja neist järelduksid kogu süsteemi turvaomadused. Sellele tööle aitab kaasa, kui süsteem on ise loodud nii, et iga selle komponendi ülesanded ja nende täitmisel kasutatavad ressursid on selgesti piiritletud. Negatiivse näitena võime siin tuua ID-kaardi esimese võtme, mida kasutatakse nii autentimiseks kui ka dekrüpteerimiseks. See mõjub halvasti, sest kui ühelt poolt leitakse nõrkus, kandub see üle teisele. Võiks olla kolmas võti,” avaldab Laud. Jõuamegi Eesti au ja uhkuse ehk e-valimiste ja e-riigini laiemalt. Laud ja Cybernetica on olnud Eesti e-riigi turvalisuse taga selle algusest. Kõige enam on viimasel ajal räägitud just e-valimistest ja selle turvalisusest. „Teadus, mis selle taga on, tuleb meie käest,” toob Laud välja, et peamiselt on see olnud kolleeg Jan Willemsoni teene. Laud arvab, et meil on selles valdkonnas kõik suhteli-

32

selt hästi. Keeruline on neis paikades, kus inimese identiteeti on üldse raske välja tuua. Näiteks mõnes riigis tekib inimese identiteet paljude, ühekaupa mitte nii hästi eristatavate sündmuste ja dokumentide – näiteks kommunaalarvete – kogumina.

Uurimisrühmal on oluline roll ka Eesti e-riigi turvalisuse kontrollimisel ja parandamisel. Peeter Laua sõnul käivad e-valimiste nõuded teineteisele vastu – soovitakse ühtaegu andmete terviklikkust ja privaatsust. Kui rääkida muutustest, siis ajaga on ootused evalimistele muutunud ja nii on Cybernetica AS pidanud juurde mõtlema erinevaid lisasid. Kui ühiskonnas pöörati rohkem tähelepanu häälte verifitseeritavusele, lisandus mobiiliga ekraani pildistamine, et kontrollida, kelle poolt hääletasid. „Privaatsusmeetmeid on samuti juurde tekkinud, see on keerukamaks läinud. Dekrüpteerimise funktsionaalsus on mitme serveri vahel ära jaotatud,” toob Laud välja. Eelmise valitsuse ajal avaldas osa poliitikuid soovi tuua mängu bio-

meetria. RIA tellis Cybernetica AS-i teadlastelt, Laua meeskonnalt, uuringu. „Me peame leidma, kas seda oleks mõistlik teha. Kui kallis see on? Praegu tundub, et mingeid probleeme see lahendus vähendab, aga toob neid samal ajal ka juurde. Täpsemalt valenegatiivseid, mida tuleb lahendama hakata,” ütleb Laud, kelle sõnul uuritakse samal ajal sedagi, kas e-valimiste puhul oleks abi turvalise riistvara kasutusele võtmisest. „Riistvara, mis oleks odav. Midagi Raspberry Pi taolist. Ega see väga palju ei maksaks, aga küsimus on taas, kas see annab midagi oluliselt juurde ja millised on kaasnevad riskid. Järeldusi veel ei ole,” toob ta välja.

Kuidas tagada andmete privaatsus? Cyberneticas tegelevad e-valimistega praegu peamiselt tooteosakonnad, kuid uuendused ja parendused, mida teha tuleb, jõuavad ka Laua juhitud teadusrakukese juurde. Eriti välismaised projektid, kus tuleb lahendada muu hulgas eespool mainitud identiteedi tuvastamise küsimusi, kui inimesel isikukoodi kui sellist ei olegi. Laua juhitud töörühm on tema enda sõnul vana. „Oleme eelmise sajandi lõpust Eesti e-riiki kaitsnud,” ütleb ta. Kui minna tema uurimisEesti IT Tippkeskus EXCITE


ARVUTITEADUS, KRÜPTOLOOGIA

valdkonda põhjalikumalt sisse, on sealne keskne teema privaatsust säilitavad arvutused. Lihtsustatult võiks öelda, et kui keegi kogub andmeid, et neist mingit lisaväärtust luua, tekib kohe mitu osapoolt. On inimesed, kelle andmeid kasutatakse, ning need, kes neid näha võivad. Sealhulgas andmete koguja ise. Andmeid tohivad näha ainult need isikud ja ette nähtud mahus. On olemas protokollid, mis peavad tagama, et andmed oleksid alati kaitstud, sealhulgas neil andmetel tehtavate arvutuste käigus. Hea näide mõne aasta tagant. Laua töörühm analüüsis IT-tudengite lõpetamisega seonduvat – kuidas mõjutab nende sissetulekut see, kui nad lähevad enne õpingute lõpetamist tööle, võrreldes sellega, et nad enne lõpetavad ja siis lähevad tööle. „Korjasime kokku õppekavadel osalenute andmed ja maksuametist tulumaksu tasumise andmed. Nende pealt tegime statistikat. Selles protsessis ei tohtinud samuti keegi näha konkreetseid nimesid, isikukoode ega muid andmeid. See oli üks näide sellest, kuidas meie tehtut praktikas kasutada. Otsime selliseid rakendusi veel,” ütleb Laud ja toob näiteks

Ajaga on ootused e-valimistele muutunud ja nii on Cybernetica AS pidanud juurde mõtlema erinevaid lisasid.

piiril n-ö musta nimekirja kontrollimise. „Sa tahad, et andmete põhjal saaks huvitavat infot, aga samal ajal on oluline, et liiga palju huvitavat ka välja ei tuleks.” Laud kirjeldab, et protsessi käigus tuleb lisada kontrollitult n-ö müra, mis varjab olulise info ära ja annab garantii, et sisendandmed ei tule välja neile, kes seda näha ei tohiks. See peab olema aga selline müra, et andmeid saaks siiski kasutada ja näha

Rühmapildil vasakult: Andre Ostrak, Kristjan Krips, Jan Willemson, Dan Bogdanov, Alisa Pankova, Peeter Laud ja Jaak Randmets. Telekas on ülal vasakult: Nikita Snetkov ja Hiroki Kaminaga, all vasakult Liina Kamm ja Armin Kisand.

Eesti IT Tippkeskus EXCITE

33


ARVUTITEADUS, KRÜPTOLOOGIA

MIDA TOOB TULEVIK ISALE JA TÜTRELE? Isa Toomas (30) ja tütar Emma (5)

see inimene, kes neid näha tohib. Võtame näiteks arsti, kes peab andmete põhjal tegema konkreetse patsiendi osas otsuse. EXCITE-s teeb Peeter Laua uurimisrühm koostööd nii Marlon Dumas’ kui ka Dominique Unruh’ga, kellega on neil ka ühiseid juhendatavaid doktorante. Varem on üheskoos tegutsetud ka Tarmo Uustaluga. Laua juhendatavatest doktorantidest üks teeb EXCITE raames paralleelarvutusi turvaliste ühisarvutuste jaoks, teine privaatsust säilitavat masinõpet ning kolmanda valdkond on e-valimised.

Vaktsineerimisandmete haldust saanuks korraldada teisiti Peeter Laud arvab, et Eestis oleks võinud ja saanud COVID-19 vastase vaktsineerimisega seotud andmete kasutamist juba selle alguses teistmoodi korraldada. Sealgi pidi andmeid võtma mitmest kohast. Nende turvalise kombineerimise oleks saanud aga ära lahendada palju lihtsamalt, kui seda tehti. „Vaktsineerimise andmed on täna siinseal laiali. Minu abikaasa on meditsiinitöötaja ja sai vaktsineeritud, kuid tema perearst kutsus teda ikka uuesti vaktsineerima. Info ei olnud liikunud. Kui meil oleks erinevates ametkondades olevate andmete privaatsust säilitav infrastruktuur olemas, saaksime nii mõndagi hõlpsamaks teha,” räägib Laud. Praegu peab info ühildamiseks olema andmekaitse inspektsiooni nõusolek, mida ei ole lihtne saada. Inspektsioon teab ka neid moodsaid lahendusi, millest Laud räägib. „Teoreetiliselt on välja mõeldud, kuidas privaatsust säilitavate andmete töötlus X-teega ühendada,” toob ta välja.

34

Peeter Laud ütleb isale ja tütrele rahustuseks, et üks on kindel – õpime turvalisi süsteeme järjest paremini tegema. Igasugused süsteemide analüüsimeetodid, samuti sertifitseerimismeetodid ning õiged äri- ja muud protsessid – nende areng ja kuigivõrd ka praktikasse juurutamine viivad meid lähemale sellele, et suuri hädasid, mille tingis infoturbe puudulikkus, kas ei ole enam üldse või jääb neid vähemaks. „Nende meetodite alla käib ka igasugune turvaline riistvara, mille juurutamise on protsessoritootjad praegu oma südameasjaks võtnud. Sertifitseerimismeetodid ja -protsessid nende ümber arenevad edasi, nii et 2017. aasta sügisel ID-kaardi ümber toimunud paanikaga sarnaseid sündmusi ei tule. Probleeme võib ikka aeg-ajalt tulla, aga need lahenevad rahulikumalt,” lubab ta Toomasele ja Emmale. Niisiis on meil olemas head meetodid teatud turvaomaduste – identifitseerimine, autentsus – saavutamiseks. Samas tuleb autentsus tema sõnul ümber mõtestada. Juba praegu saab sünteesida suvalise sisuga video- ja ruumipilti ning heli, 3D-printimise puhul ka objekti. „Vaja on mingit uut kontseptsiooni digitaalsest omandist,” tõdeb ta. Nüüd aga hoiatus. Kui turvalisusega on tulevikus olukord praegusega võrreldes palju parem, siis privaatsusega ei pruugi olla. Laud ütleb, et sõnades me küll hindame privaatsust, isegi GDPR on olemas. „Aga GDPR-i teravad hambad ei ole paaris vahenditega nende hammaste vahelt pääsemiseks. Ma ei näe tugevat survet andmeid privaatselt töödelda. Avalikul sektoril seda päris kindlasti ei ole. Nende jaoks on privaatsustehnoloogiate juurutamisest lihtsam lisada seadusesse erand, mis lubab soovitud arvutusi teha adekvaatse kaitseta. Ma ei näe ka erasektori motivatsiooni. Neilgi on olemas organisatsioonilised alternatiivid, mida millegipärast peetakse piisavalt heaks. Nii et Hiina tüüpi sotsiaalkrediidi tulekut ei julge ma küll välistada,” leiab Laud. Emmale ütleks ta, et keerukusteooria saab ära tehtud. Me oskame hinnata ülesannete lahendamiseks vajalikke ressursse, sealjuures nimetada vajalike ressursside alamtõkkeid, mis on piisavalt head, et selle peale praktikas üles ehitada süsteemide turvalisus. Samuti oskame hinnata, kui suuri ressursse vajab ühe või teise algoritmi ründamine, kui see algoritm ise kasutab samuti mingis koguses ressursse. „Tänu sellele teaksime täpselt, kui pikk üks või teine võti peab olema. Samuti oleks kindlus krüpteerimisalgoritmide turvalisuse suhtes.” Eesti IT Tippkeskus EXCITE


KODEERIMISTEOORIA

Vitaly Skachek aitas panna aluse nutistule Vitaly Skacheki uurimisvaldkond on maailmas üsna hästi tuntud, kuid praegu on tema uurimisrühm ainus omataoline Eestis.

S

kachek, kes tuli Tartu Ülikooli 2012. aasta lõpus ja töötab arvutiteaduse instituudis, ütleb, et esimesed tööd tema erialal ilmusid 1948. aastal. Varsti pärast seda, 1950. aastate jooksul, sai kodeerimisteooria väga populaarseks. Ta usub, et mitte kuigi kauges tulevikus muutub suhtlemine kiiremaks, andmed liiguvad palju intensiivsemalt ja seetõttu peab ka side muutuma usaldusväärsemaks. Siin tulevadki mängu Skachek ja tema uurimisrühm. „Põhiprobleeme ei lahendata terviklikult,” hoiatab ta, lisades, et teatud tehnoloogiad, nagu robootika ja masinõpe, on suuresti üles puhutud. „Me oleme väga kaugel sellisest iseseisvast tehisintellektist nagu Isaac Asimovi raamatutes,” naerab ta. Tema arvates peaksid ootused oleEesti IT Tippkeskus EXCITE

Me oleme väga kaugel sellisest iseseisvast tehisintellektist nagu Isaac Asimovi raamatutes. ma realistlikud. Väga väike protsent uurimistöödest saab millekski otstarbekaks ja võib kuluda aastakümneid, enne kui mõni leid muutub eriti asjakohaseks. Skachekile meeldib rääkida oma õpilastele prantsuse matemaatikust Évariste Galoisʼst. Galois elas 19. sajandi alguses vaid lühikest aega, kuid tema teosed lõid aluse nii välja- kui ka grupiteooriale. Alguses arvati, et tema avastus on matemaatikaharjutus, kuid peaaegu kaks sa-

jandit hiljem on sellest saanud krüptograafia ja küberturvalisuse oluline osa. Esialgu tundus see mittevajalik teoreetiline probleem, kuid sellel on tänaseks olnud suur mõju. „Kui Galois töötaks praegu ülikoolis, vallandataks ta selle eest, et ta ei tee praktilist tööd ega taotle toetusi,” naerab Skachek. Tänapäeva teadlastel võib olla sama saatus ‒ nende avastused omandavad tõelise tähenduse aastaid hiljem.

Töö EXCITE kolleegidega Skacheki töörühm on Eestis ainus, kes töötab veaparanduskoodide ja sellega seotud teemade kallal. Lihtsustatult öeldes on tegu kodeerimisteooriaga. Ta kirjeldab seda uurimisvaldkonda kui teoreetilise arvutiteaduse, matemaatika ja elektrotehnika ristumise kohta.

35


„EXCITE tegevuste raames töötasime koos Ago-Erik Rieti (Tartu Ülikooli matemaatika ja statistika instituudist), Eldho Thomase ja Ülo Reimaa ning Tartus asuva Helger Lipmaa uurimisrühmaga. Me uurisime hajutatud süsteemide koormustasanduse ja isikliku teabe otsimise juurdepääsuskeemide omadusi,” selgitab Skachek. Ta räägib EXCITE-st väga tunnustavalt, sest see ühendab tippteadlasi ja annab neile võimaluse koostööd teha. „Olen kohanud inimesi, kellega muidu poleks kokku puutunud. Väga huvitav on olnud suhelda Jaak Raikiga TalTechist, kes teeb meiega sarnast tööd. EXCITE liikmeks olemisel on kindlasti eelised,” arvab Skachek. Professor Skachek räägib eri suhtlusviisidest, olgu see siis traadita, optiline või juhtmega ‒ lõppeesmärk on, et see oleks võimalikult kiire ja usaldusväärne. Aeg on seda ka näidanud, kuna oleme liikunud 3G-lt 4G-le ja edasi 5G-le üsna kiiresti. „Teoorias saame teha paremini, kuid peame selleks leidma õige viisi. Aeg läheb kiiresti. Kui kakskümmend või isegi

36

kümme aastat tagasi rääkisime arvuti- ja mobiilisuhtlusest, siis nüüd on see palju keerulisem. Me räägime hajutatud süsteemidest, näiteks pilvest,” ütleb Skachek.

Nutistu vundament Veaparanduskodeerimine tegeleb usaldusväärse side ja andmesalvestuse probleemidega. Kui sul on andmesalvestusseade, näiteks välkmälu, kõvaketas vms, või sidevahendid, nagu mobiiltelefon või arvuti, siis koged tihti probleeme, olgu see füüsiline müra või mõni muu suhtlushäire. „Kõnealune valdkond tegeleb põhiliselt sellega, kuidas nende vigadega toime tulla, kuidas muuta suhtlemine usaldusväärsemaks,” arutleb ta. Tema eriala on tugevalt matemaatiline ‒ teadlased kasutavad palju keerukaid matemaatikatööriistu, valdavalt algebrat, kombinatoorikat ja graafiteooriat. Peamine küsimus on see, kuidas saab teavet usaldusväärselt edastada ja salvestada. Mida saab ja ei saa teha? Hajutatud süsteemide märki-

misväärne tõus on selles valdkonnas küll palju muutnud, kuid sellele tuleb ka tulevikus keskenduda. Muidugi, kui räägime Skacheki valdkonnast, peame rääkima ka asjade interneti (IoT) mõjust. Paljud ütlevad, et mitte kuigi kauges tulevikus ümbritsevad meid seadmed, mis suhtlevad meiega ja mitte ainult meiega, vaid eelkõige omavahel. „Tegelikult rajasime vundamendi nutistule,” mainib ta möödaminnes. „See sai teoks, kuna suhtlemine muutus aina paremaks ja usaldusväärsemaks,” lisab ta.

Kaks põhiprobleemi, sarnased lahendused 2004. aastal avastas krüptoteadlaste rühm, et andmebaasidele juurdepääsu parandamiseks saab kasutada algebralisi matemaatikatööriistu. „Alustasime sellega tööd 2012. aastal. Meie töö on teoreetiline ja peame veel tegelema tõeliste serveritega, kuid kindlasti saab nende algoritmidega jõudlust suurendada,” ütleb ta. Eesti IT Tippkeskus EXCITE


KODEERIMISTEOORIA

Skacheki rühm töötab kahe probleemiga, mis pärinevad kahest eri teadusvaldkonnast. Üks on koormustasandus. Mõtle näiteks Googleʼile, Amazonile või teistele tuntud nimedele, mis peavad tegelema tohutu hulga andmetega ja millel kõigil on serverid terves maailmas. „Toon ühe näite. Donald Trumpil on Twitteris palju jälgijaid ja iga kord, kui ta midagi säutsub, tuntakse selle vastu suurt huvi. Kuigi Twitteril on palju servereid, võtab see, kus Trump säutsub, vastu palju liiklust. Sellistel juhtudel tuleb andmeid jaotada ühtlasemalt ja seda protsessi nimetataksegi koormustasanduseks,” selgitab Skachek. Professor Skachek ütleb, et nad töötavad uue koormustasandusmudeli kallal, mis on tänapäeval kasutatavast parem. „See nõuab siiski rohkem uurimistööd,” tunnistab ta. Teine teema on privaatse teabe otsimine. Näiteks hoiad ühte andmebaasi mitmes serveris. Kasutajad on huvitatud konkreetsetest and-

Eesti IT Tippkeskus EXCITE

metest, kuid sa ei soovi, et kõrvalised inimesed teaksid, millised andmed need on. „Eluline näide: patsiendil ja arstil on juurdepääs salajastele meditsiiniandmetele. Teised ei peaks teadma, millisele teabele juurde pääsetakse, samuti ei peaks seda teadma servereid hooldav ettevõte. Koormustasandus ja isikliku teabe otsimine on erinevad probleemid, kuid tuleb välja, et sarnased võtted paku-

Võib-olla on aeg üksteist tundma õppida, sest nutikamatest lahendustest on kasu igale ettevõttele, kes andmetega tegeleb.

vad mõlemale hea lahenduse,” jagab Skachek.

Suurettevõtete teine probleem Ka tehnoloogiasektori suured nimed seisavad silmitsi probleemiga, mis on seotud andmete sünkroonimisega hajutatud süsteemides. Skachek ja Ivo Kubjas üritavad sellele lahendust leida. Skachek ütleb, et see teema on oluline jaotatud andmesalvestussüsteemides, näiteks Dropboxis, Google Driveʼis jms rakendustes. „Pakkusime välja täienduse tuntud skeemidele, mis viib meid usaldusväärsemate sünkroonimisprotokollideni. Kavandatud meetod töötab mõnel sellisel juhul, kus varem teadaolevad skeemid ei toiminud,” kirjeldab ta oma meeskonna edu. Lihtsustamiseks toob ta ühe näite. Oletame, et sul on Google Driveʼis fail avatud ja oled seda teistega jaganud. Teed muudatuse ja soovid, et teised

37


näeksid seda võimalikult kiiresti. Põhiküsimus on siin see, et edastatav informatsioon tuleb muuta võimalikult väikeseks, muidu võib sünkroonimine võtta palju aega. Su sõbrad peavad pikka aega ootama. See on algoritmiline probleem. Eri seadmed peavad kohe aru saama, mis muudatuse sa tegid. „Selle lahendamiseks on palju võimalusi, kuid üks neist on kasutada mõnda andmestruktuuri ‒ räsialgoritmi, sellest allkirjade tegemist. Allkiri on väga väike ja nutikate algoritmide abil teavad teised seadmed nüüd, mis muudatus tehti. Seda on väga raske saavutada,” ütleb Skachek. Nad leidsid aga nutika viisi, kuidas teha sünkroonimine usaldusväärsemaks.

Ettevõtted tunnevad huvi Kuidas see kõik ettevõtetele ja inimestele kasulik on? Kas ettevõtete seas on huvi? Skacheki sõnul on see keeruline küsimus, mis viitab asjaolule, et Eesti ettevõtted on tavaliselt üsna väikesed ja enamasti rakendustele orienteeritud. Suurettevõtted, nagu Amazon ja Google, on mitmekesisemad. Nende jaoks tähendab isegi väike tehnoloogiline edusamm miljoneid dollareid kasumit. „Nende andmehulk on hämmastav. Liiklus on tohutu. Tavaliselt on selline uurimistöö neile huvitav. Need ettevõtted asuvad peamiselt USA, Euroopa ja Hiina suurtes tehnoloogiakeskustes,” tõdeb Skachek. Turvalisusest ja privaatsusest pole aga huvitatud mitte ainult suurkorporatsioonid, ka väiksemad ettevõtted võivad huvi üles näidata. „Me ei pruugi teada pisemate idufirmade vajadusi. Nad võivad olla teadlikud oma probleemidest ja sellest, et meil võib olla võimalikke lahendusi. Ülikoolidel ja ettevõtetel on aeg üksteist tundma õppida, sest nutikamatest lahendustest on kasu igale ettevõttele, kes andmetega tegeleb,” ütleb Skachek.

38

MIDA TOOB TULEVIK ISALE JA TÜTRELE? Isa Toomas (30) ja tütar Emma (5) Skachek ütleb, et informatsiooniteooria valdkonnas on palju probleeme, millele teadusringkonnad ei ole viimase 70 aasta jooksul lahendust leidnud, ja seetõttu arvab ta, et ka 2050. aastaks jääb mõni neist lahendamata. „Samas on tehtud veaparanduse valdkonnas palju edusamme, mis viisid kiiremate ja usaldusväärsemate sidesüsteemide väljatöötamiseni. Tavalise kasutaja jaoks avaldub edasiminek kiiremas mobiilsides (2G, 3G, 4G ja nüüd 5G), paremas internetiühenduses kiudoptika kaudu, kõvaketaste ja kaasaskantavate mäluseadmete suuremas mahutavuses ning kättesaadavamas ja tõhusamas pilvemälus,” ütleb ta Toomasele ja Emmale. Viimastel aastatel on veaparanduskodeerimise tehnikad leidnud uut kasutust hajutatud süsteemides, võrgusuhtluses ning privaatsuses ja turvalisuses. „Ma ennustan, et 2050. aastal kasutatakse veaparanduskodeerimist suuresti ka detsentraliseeritud süsteemides, näiteks pilvemälus ja pilvandmetöötluses. Kodeerimisteooria ja teiste valdkondade, näiteks masinõppe ning privaatsuse ja turvalisuse vahel tekib suurem sünergia.”

Eesti IT Tippkeskus EXCITE


KVANTKRÜPTOGRAAFIA

Dominique Unruh: sidevõrkude turvalisust peab tõestama arvutitega

Dominique Unruh õppis krüptograafiat Saksamaal Karlsruhes, ülikoolis, mida praegu tuntakse kui Karlsruhe tehnoloogiainstituuti. See oli enne, kui ta kümme aastat tagasi Tartusse tuli, et teadustööd jätkata. Unruh oli valdkonnas üks esimesi, kes hakkas kvantkrüptograafiast mõtlema ja rääkima, see valdkond peab tema sõnul leidma olulised lahendused probleemidele, mida kvantarvutid tekitavad.

T

ema õpingute ajal oli kvantkrüptograafia nišiala. „Kui ma tollal teiste krüptograafidega rääkisin, ütlesid nad, et see ei huvita neid. Üks kõrgelt hinnatud professor kõndis minema, kui ma sellest rääkima hakkasin. See oli 15 aastat tagasi, nüüd on olukord muutunud,” ütleb Unruh. Krüptograafia on meetod, millega kaitstakse teavet ning veebisuhtlust krüptitud koodide abil nii, et vaid need, kellele teave on mõeldud, saavad seda lugeda ja töödelda. Urnuhi sõnul muutuvad tänapäeva süsteemid ebaturvaliseks siis, kui kasutusele tulevad kvantarvutid. Ta teadis seda ka aastaid tagasi, kuid nüüd töötavad selle kallal aktiivselt paljud teadlased. „Viimase kolme aasta jooksul on sellele lahenduste otsimine popuEesti IT Tippkeskus EXCITE

39


laarseks saanud, valdkond on ellu ärganud.”

Negatiivne stsenaarium on hea Keegi ei tea, millal kvantarvutid laialdaseks kasutuseks valmis on, ja see tekitab peavalu neile, kes peavad lahendama turvalisuse probleemid. Unruhi sõnul ei ole ta insener ja seega ei ole õige inimene ennustama, millal see juhtub, kuid ta on üsnagi kindel, et inseneridel ei ole samuti selles erilist sõnaõigust. „Vaadates sellele krüptograafia eksperdi pilgu läbi on meil tavaks võtta pessimistlik suhtumine, et need tulevad pigem varem kui hiljem. Kvantarvutid on muidugi kasulikud, kuid hetkel näeme nendes pigem halba,” selgitab Unruh kerge muigega. „Me ei näe selles veel häiresignaali, kuid oleme

40

ärme-raiska-rohkem-aega meeleolus,” lisab ta. See kõik algas mõni aasta tagasi, kui Ameerika Ühendriikide riiklik standardite ja tehnoloogiainstituut kutsus rahvast üles looma kvantijärgseid turvalisi krüptimissüsteeme. „Siis hakkasid inimesed seda tõsiselt võtma,” mäletab ta. Võidujooks on alanud ja lõpuks otsustab seesama instituut, millised krüptimis- ja allkirjastandardid kasutusele lähevad. „Kui see on tehtud, ku-

Tahvel on matemaatiku üks kõige tähtsamaid suhtlemisvahendeid, valemeid sa ei saa vestlusaknas arutada.

lub aastaid, kuni need meie seadmetesse paigaldatakse.” Unruh selgitab, et põhiliselt puudutab see riistvara, ja viitab, et see ettevõtmine kujuneb kulukaks. „Eesti puhul tunneme muret, et meie tegevus teadlastena ei pruugi olla kasulik sellisele kiipkaardile nagu teie ID-kaart. Arvutitel ja mobiiltelefonidel töötab uus turvasüsteem kindlasti, see-eest kiipkaardid võivad jääda liiga väikeseks,” hoiatab ta, kuid kinnitab, et teadlased teevad tööd ka nende lahenduste leidmisega. Selles olukorras ei tähenda kulukus raha, vaid pigem protsesside kiirust. Enamik tänapäevased seadmed peaksid olema suurteks muutusteks sobivad, kuid kui mitte, on vaja uut seadet. „Erakasutajad ei peaks liiga palju muretsema, sest teenusepakkujad teevad uuenduse, ja ma loodan, et kasutajad saavad need uuendused automaatselt.” Kuid oleks siiski tark küsida, kas seadet, mille ostad, saab Eesti IT Tippkeskus EXCITE


KVANTKRÜPTOGRAAFIA

leta sa lõpuks midagi, valem on selles mõttes väga pildi moodi. Ka veebitahvlid ei ole samad, seetõttu on pandeemia olnud väga keeruline.”

Arvuti õpetamine

uuendada. Mõne seadme jaoks võib see olla liiga kallis.

Tahvlit igatsedes Kuna Unruhi peamine uurimisvaldkond on kvant- ja kvantijärgne krüptograafia, on tema päevad täidetud matemaatikaga. See tähendab, et Unruh seisab sõna otseses mõttes tahvli ees valemeid kirjutades; ta kasutab tahvlit ka siis, kui üritab näha krüptograafia süsteemide taga peituvaid probleeme. Töö teine osa on artiklite kirjutamine, mis on ühtlasi tema peamine suhtlemisviis krüptograafiakogukonnaga. Tema sõnul on tahvlid tema uurimisvaldkonna lahutamatu osa ja ta igatseb teiste teadlastega näost näkku suhtlemist. „Tahvel on matemaatiku üks kõige tähtsamaid suhtlemisvahendeid, sa ei saa valemeid vestlusaknas arutada. Kui sa valemi välja ütled, ei mäEesti IT Tippkeskus EXCITE

Teine asjaolu, mis Unruhi ja tema kolleege huvitab, on ametlik nõuetekohasuse tõendamine. Pole oluline, millisest krüptograafiast räägime, teadlased peavad kindlaks tegema, et see on täielikult turvaline. Turvalisus vajab matemaatilist tõestust. See ütleb üsna selgelt, et selles süsteemis ei saa sidevõrku häkkida. „Probleem on selles, et inimesed teevad vigu ja tõestused on väga keerulised. Ei see inimene, kes tõestuse kirjutab, ega see, kes seda loeb ja selle kinnitab, ei pruugi kumbki viga märgata. See on nagu nõela heinakuhjast otsimine, kuid üks viga võib muuta kõike ja süsteemi kahjustada,” seletab Unruh. Ta lisab, et uurimistöödes on tihti vigu. Paljudel juhtudel saab neid parandada ja need ei ole eriti olulised, kuid neil võib olla ka väga tõsine ning kahjulik mõju. Nõuetekohasuse tõendamine kaotab mõtte, kui me lihtsalt loodame, et need keerulised arvutused on õiged. Isegi kui oled väga keskendunud, võid siiski vea teha. „Üks lahendus on lasta arvutil tõestus teha, kuid kõigepealt pead seda kuidagi arvutile selgitama. Ühte saab arvutite kohta öelda: nad on väga ettevaatlikud. Arvutile ei saa tõestust selgitada, kui oled vea teinud. See on väga keeruline, kuid kui arvuti sinust aru saab, oled olnud edukas,” seletab Unruh.

Traagiline kogemus Unruh jagab üht enda mitte väga ammust traagilist kogemust. Ta kirjutas umbes 70-leheküljelise artikli ning pani selle veebi üles, ilma et see oleks veel avaldatud üheski ajakirjas. „Keegi kirjutas mulle, et 50. leheküljel on valem, millest ta aru ei saa. Ma kontrollisin ja taipasin, et olin teinud vea. Aga see oli traagiline viga, kolm kuud rasket tööd vastu taevast. Mul vedas, et see avastati, ta oli ainus, kes mulle kirjutas. Kui mitte keegi poleks viga märganud, oleks kõik artiklit uskunud. Aga see

oli kvantkrüptograafia väga oluline tõestus,” meenutab ta. Uuringuga tahtis ta tõestada, et üks räsifunktsioon, mida tihti kasutatakse, toimib kvantijärgses seadistuses. „Me endiselt ei tea seda. See ei tähenda, et see poleks turvaline, aga me ei saa kindlad olla,” ütleb ta. Sellepärast peaksidki meile appi tulema arvutid.

Sa pead looma keele Kuidas tõestada kvantkrüptograafiat arvutile nii, et see saab tagada, et tõestus on õige? Nagu enamiku arvutitega seotud lahenduste puhul, on siingi vaja kirjutada programm. Selleks on Unruhi meeskond loonud enda keele. Arvutile peab õpetama, mis on turvaline süsteem, seega milline on turvalisust tõendades loogiline reeglite kogu? Arvutile tõlkimine on kümme korda pikem sellest, kui tõlkida inimesele, ja kõik see kirjutatakse kunstlikus keeles. Unruhi töö on muuta keel järjest lihtsamaks. See ei pruugi iial saada sama kompaktseks nagu inimversioon, kuid Unruh loodab, et nad jõuavad sellele järjest lähemale. „Ma ei taha, et minu uurimismeeskond oleks ainus, kellel on võimalik selliseid turvalisustõendeid teha, sest meie ümber on palju krüptot. Minu töö on teha vahendid, selline taristu, mida teised saavad hõlpsalt kasutada.”

Arvutile ei saa tõestust selgitada, kui oled vea teinud. See on väga keeruline, kuid kui arvuti sinust aru saab, oled olnud edukas. Unruhi meeskond on juba leidnud meetodi ja teinud lihtsa turvalisustõendi, mis vajas märkimisväärset pingutust. Kuigi see töötas, oleks keeruline veenda teisi seda kasutama, nad peavad leidma parema mooduse. Tema sõnul on mõningaid asju, milles arvutid on paremad kui meie. Lihtne näide: tahad tõestada, et kui

41


ühte suurt arvu korrutatakse teisega, on tulemuseks kolmas, veelgi suurem arv. See on miski, mida saaks tõestada iga koolis käinud inimene. Siiski ei ole me selles paremad kui arvutid. Kui miski on kindel, kuid seda peab mitu korda kontrollima, siis saab arvuti sellega paremini hakkama. „Me saame neid aspekte automatiseerida, arvutid saavad vastata ja vastavadki nendele küsimustele automaatselt, nii et inimestel on võimalik keskenduda nendele asjadele, kus aju kõige rohkem vaja on.”

MIDA TOOB TULEVIK ISALE JA TÜTRELE?

Viga võib kalliks maksma minna

Dominique Unruh loodab, et nii Toomas kui Emma elavad maailmas, kus on turvalised seadmed. Ning et süsteeme enam ei rünnata, sest need on kaljukindlad. Nad saavad kasutada enda andmeid südamerahus, teades, et nemad ja nende andmed on kaitstud isegi veebis.

Et mõista selle uurimisvaldkonna tähtsust, vaatame võistlust, mille algatas riiklik standardite ja tehnoloogia instituut. Teadlased on loomas kvantijärgseid krüptograafialahendusi ja üks neist valitakse võitjaks. Teadlased üle maailma peavad kinnitama, et see lahendus on turvaline ja ümberlükkamatu, alles siis saavad valitsused ja ettevõtted üle kogu maailma seda kohandama hakata. Kuna meil on väga tugev vundament, kulutatakse palju raha. „Ja siis tuleb keegi ja ütleb, et seda saab rünnata. See oleks õudusunenägu, ja me tahame seda nii palju kui võimalik vältida,” ütleb Unruh. Mikrokiipide tootjad kasutavad ametlikku nõuetekohasuse tõendamist, sama teevad ka lennukite tootjad. Kui miski on ebaturvaline, võib ettevõte kaotada väga palju raha, ja samas võib see ka olla väga tõsine oht meie elule.

42

Isa Toomas (30) ja tütar Emma (5)

„Ma loodan, et saame kasutada eraandmeid, kuid et teised ei saa neid näha. Praegu jagame seda ise iga päev. Ettevõtted kasutavad seda enda huvides. Ma tahaksin, et andmeid kasutataks vaid inimkonna heaoluks, mitte selleks, et ettevõtete kasumile kaasa aidata,” ütleb Unruh meie isale ja tütrele. „Mulle meeldiks, kui suurandmed meie elu parandaks, mitte ei teavitaks meid sellest, mis toodet järgmisena osta.” Tulemas on väga turvalised süsteemid, kuid Unruh ei usuks oma sõnul, et need on 100% usaldusväärsed, enne kui need on arvutiga tõendatud.

Eesti IT Tippkeskus EXCITE


ARVUTITEADUSED – KIIBITEADUS

Jaan Raik:

arvutite puhul peab saabuma revolutsioon, et nende tormiline areng saaks jätkuda Juba aastakümneid on professor Jaan Raik, TalTechi usaldusväärsete arvutisüsteemide keskuse juht, arvutimaailmast huvitatud olnud. Ta tegeleb kiibiteaduse valdkonnas, kus tuleb murda pead, kuidas projekteerida kiiremaid, keerukamaid ja säästlikumaid kiipe. Jaan Raiki juhitav uurimisgrupp on suurim EXCITE-s osalevatest teadusgruppidest ja on olnud väga edukas üleeuroopaliste teadusprojektide koordineerimisel. Eesti IT Tippkeskus EXCITE

T

ema hinnangul peab lähimatel aastakümnetel valdkonnas toimuma suur muutus, isegi revolutsioon, sest arvutite, protsessorite, serverite ja kõige muu sellise energiatarvet me peagi välja ei kannata. Arvutitel endil on inimaju tasemele jõudmiseni jäänud ainult väike sammuke, ütleb Raik. Kui räägime arvutamise ja otsuste tegemise võimsusest ja keerukusest. „Me ei olegi enam

43


ARVUTITEADUSED – KIIBITEADUS

ajust eriti kaugel,” tõdeb ta. Nii on üksnes aja küsimus, kuni arvutid jõuavad suutlikkuselt inimaju tasemele. „Peamine aspekt, milles me oleme tohutult maas, on energiatarve. Meie aju tarbib suurusjärgus 12 kuni 25 vatti energiat, mis on inimese kogu energiavajadusest tubli viiendik. Samas võrreldes superarvuti või ülisuperarvutiga on see köömes. Viimased vajavad tervet elektrijaama,” toob Raik välja. Niisiis ei ole arvutite tõhusus piisav ja ressursimaht, mida need kasutavad, seab omakorda piirangud. Arvutite taktsagedus ei ole viimase kümnendi jooksul tõusnud. Miks? Võimsustarve oleks lihtsalt liiga suur. „Kiip seal sees lihtsalt põleks ära. See ületab juba päikese või tuumareaktsiooni temperatuuri. Kiip läheks liiga kuumaks ja ei olegi mingit võimalust seda jahutada,” selgitab Raik. Kuna üht üksikut protsessorit ei anna võimsamaks muuta, siis on mindud mitmete protsessorite (tuumade) korraga kasutamise teed. Raiki sõnul on see probleem ja sel on mitu aspekti.

Kui räägime arvutamise ja otsuste tegemise võimsusest ja keerukusest, siis on üksnes vähese aja küsimus, kuni arvutid jõuavad suutlikkuselt inimaju tasemele. „Üks on see, et meie planeet kannatab. Tekitame selle tohutu arvutamise käigus meeletu koguse CO2. Bitcoin’ide kaevandamine on siin ehe näide. See võtab tohutu energia, aga tegevus sisuliselt olulist lisandväärtust ei anna. Kuid halb on see, et ka kõik vajalikud protsessid võtavad liiga palju energiat. Selge on ka see, et inimkond ei taha tehnoloogiast loobuda,” tõdeb Raik. Pigem on viimast aina enam ja see peab olema üha võimsam. Energiat ennast aga ei ole lõpmatuseni ja seetõttu peab midagi muutuma.

44

„Tõenäoliselt saab lahendus olla mingi põhimõtteliselt uus paradigma arvutite jaoks. Milline see täpselt olema saab, ei oska veel öelda. Ehk üritatakse kuidagi imiteerida loodust, mis on väga hästi hakkama saanud ökonoomse arvutamisega. Ajad muutuvad kindlasti,” on Raik veendunud.

Kvantarvuti ja uued tehnoloogiad on tulemas Jaan Raik räägib ränitehnoloogial põhinevatest kiipidest ja von Neumanni arhitektuuridest, mis on pärit juba möödunud sajandi neljakümnendatest. Varsti täitub nimetatud leiutistel 100 aastat ja Raik usub, et need teadmised ammendavad end peagi. Ta loodab, et hiljemalt 10–20 aasta pärast toimub siin revolutsioon. Kui rääkida kvantarvutitest, siis pakub Raik, et enne 2050. aastat me neid ei näe. Kui need tulevad, saab see muidugi olema läbimurre ja mitmed praegustel arvutitel aega nõudvad protsessid muutuksid hoobilt kiirelt lahendatavaks. Ta toob näiteks teede planeerimise, otsinguülesanded ja teatud laadi optimeerimised, mida sellised ülivõimsad arvutid saaksid lahendada peaaegu hetkega. Samas tõdeb ta, et mingi absoluutne võluvits see ei ole, sest kõiki ülesandeid kvantarvuti hästi lahendama ei hakka. „Suund on pigem selle poole, et tekib palju erineva tarkusega arvutitehnoloogiaid, nagu praegu on närvivõrgud, protsessorid, eraldi veel graafikaprotsessorid jne. Kindlasti tekib nišilahendusi, mis hakkavad mingit kindlat ülesannet hästi lahendama,” prognoosib professor. Kuid energia tarbimise probleem on endiselt õhus. Üks vastus võib peituda elektrokeemilistes lahendustes, kus on mängus keemia, ainete liikumine ja teatud reaktsioonid. „Nii nagu meil ajus on mingid ained, mida neuronid saadavad või eritavad. Üks variant ongi vaadata, kuidas aju on tehtud, ja seda imiteerida.”

Iseseisev robot Jaan Raiki uurimisrühmadel on käsil mitmeid olulisi projekte. EXCITE projekte nimetab Raik väga põnevateks ja n-ö kastist välja teemadeks. Võtame esmalt ette masinnägemise,

kus rõhk ei ole niivõrd masinnägemisel endal, vaid selle juhitaval autonoomsel süsteemil. Sisuliselt on tegemist robotiga, mida ei juhita väljastpoolt. Ta tegutseb selle põhjal, mida näeb, ja teeb ise otsuseid. „Loomulikult on talle programmeeritud mingisugune üldise taseme missioon, mida ta täitma peab, aga töö käigus või mingis keskkonnas olles hakkab ta ise tegema järeldusi, astuma samme ja vaatab, kuidas olukord muutub. Ta püüab iseseisvalt jõuda oma eesmärgile aina lähemale,” kirjeldab Raik. Ta lisab, et see on väga huvitav rakendus, mille teeb veel huvitavamaks tõik, et Alvo Aabloo (samuti EXCITE-st) grupis on inimesed, kes oskavad teha tehislihaseid ja miniatuurseid pehmeid roboteid. „Meie poolt on kiipide ehitamise kompetents ja infrastruktuur,” kirjeldab Raik koostööd. Aabloo järeldoktor Saoni Banerji defineeris ülesande, kus on robotkaamera, mis vaatab ja jälgib olukorda inimese kõrva sees. Tema ülesanne on diagnoosida põletikku. KaameEesti IT Tippkeskus EXCITE


rapilt läheb närvivõrku, kus toimub töötlus. Robot juhib ise kaamerat ja töötleb pilti. See oli Banerji algne idee ja sellele on kirjutatud ka projektitaotlus. Raik ütleb, et sellise lahenduse rakendus võib olla palju laiem – seda saab kasutada erinevatel robotitel, mis töötavad iseseisvalt ja millega ei saa kontakti. „Tal on aju, mis saab aru, mis näeb ja mis töötleb pilti, mida ta näeb. Ta klassifitseerib seda, mida ta näeb. Tunneb ära objekte, lokaliseerib neid ja oskab reageerida. Ta liigub vastavalt nähtule,” kirjeldab Raik.

Universaalne lahendus Raik töötab koos oma gruppi kuuluva professor Maksim Jenihhini, kaasatud professor Masoud Daneshtalabi ja tudengitega välja kiipi, mis on 40-nanomeetrine ehk äärmiselt väike, võiks öelda miniatuurne tehnoloogia. Ühe ruutmillimeetri peale mahub väga keeruline süsteem. Sellele pannakse külge nanokaamera, Eesti IT Tippkeskus EXCITE

Meie eesmärk on teha see kiip piisavalt universaalne, et me saaks seda pakkuda ka teistele uurimisgruppidele ja/ või ettevõtetele, kes võivad sedasama masinnägemise poolt juhitavat lähenemist kasutada mis tahes rakenduse jaoks. mida ise välja töötada ei ole tarvis. See ostetakse sisse. Kiibi sees on närvivõrk, mis tuvastab objekte. Kiibi peale on projekteeritud ka kontroller, kuhu omakorda saab programmeerida erinevaid algoritme. See kontrol-

ler saab info otse närvivõrgust. Närvivõrku võib pidada ka selle minisüsteemi ajuks, mis töötleb kaamerast saadud pilti ja juhib robotit. Teadlased on rääkinud ka erinevate firmadega võimalikust huvist ja rakendustest. Selgemalt on välja joonistunud meditsiinisektori huvi, aga tõenäoliselt on rakendusvõimalusi, mida praegu ettegi ei oska kujutada. „Meie eesmärk on teha see kiip piisavalt universaalne, et me saaks seda pakkuda ka teistele uurimisgruppidele ja/või ettevõtetele, kes võivad sedasama masinnägemise poolt juhitavat lähenemist kasutada mis tahes rakenduse jaoks,” avaldab Jaan Raik.

Tuleb teha töötav prototüüp Loodava kiibi tööd piiravad nii kaamera resolutsioon, närvivõrgu suurus kui ka kontrolleri keerukus. „See on siiski päris suure potentsiaaliga. Me ei teagi veel, kus tema piirid täpsemalt on,” räägib Raik. Ta täpsustab, et resolutsiooni puhul räägime

45


ARVUTITEADUSED – KIIBITEADUS

me umbes 300 x 300 pikslist, kahest analoogelektroonikas realiseeritud konvolutsiooni ja kahest koondavast kihist ning närvivõrgust, mille igas kihis on ligi 400 neutronit ja millel on kolm kihti. Lisaks on sel lihtne protsessor koos mäluga ja piiratud arv juhtsignaale. „Need on tema parameetrid, aga juba nendega saab teha väga võimsaid asju.” Raik ütleb, et kui rääkida pehmest robotist, siis on plaanis teha midagi putukasarnast. Robot kasutab ringi liikumiseks tehislihaseid – viimased tõmbuvad elektriimplulsi abil kokku ja siis jälle pikenevad. See putukas on väga väike, kerge ja imeväikese energiatarbega. Raik arvab, et miks mitte ei võiks selle üheks rakenduseks olla luureputukas. Igatahes on tegemist miniatuurse robotiga, mil on võime ronida kuhugi, kus on väga vähe ruumi ja kus temaga ei saa ühendust. Esimene eesmärk on aga teha ära toimiv prototüüp, millega näidata, et selline miniatuurne ise nägev ja juhtiv ning seejuures vähe energiat nõudev robot on reaalselt tehtav. Ei saa öelda, et see, mida Raik koos Aablooga teeb, on täiesti uus lähenemine. Eesti teadlaste tehtu unikaalsus peitub aga programmeeritavuses. Teine uudne aspekt on see, et närvivõrk, mida nad ehitavad, on suuresti selline, mida pole varem tehtud. „Seal on analoogelektroonika poole peal selliseid nippe, millega saame närvivõrku palju kompaktsemaks ja lihtsamaks teha selle arvelt, et me kaotame lineaarses aktiveerimisfunktsioonis. Aga mittelineaarsus ongi mõnes mõttes hea. Ebatäpsus on isegi positiivne. Õppimist teeb see tõhusamaks. See on üks huvitav uudsus,” selgitab Raik. On aga veel väiksemaid unikaalseid tahke, mida meie teadlased artiklitena teadlaskonnale ka edasi annavad.

Teooriast lõpuks praktikasse Teine Raiki koostöö on professor Maarja Kruusmaaga veealuste sensorvõrkude osas. Raik on rikete ja testimistega tegelenud n-ö maast madalast. Selle teemaga on ta seotud olnud 28 aastat, kuid pigem teoreetiliselt. Veealuste sensorvõrkude uu-

46

Eesti IT Tippkeskus EXCITE


ARVUTITEADUSED – KIIBITEADUS

rimine andis võimaluse kanda need teadmised reaalsesse ellu. Keskkonda, kus on tema sõnul äärmiselt palju rikkeid ja kus töökindlus on tõsine probleem. Täpsemalt saab sellest projektist lugeda lehekülgedelt 48–52, kuid Jaan Raik selgitab, et veealused rikked võivad olla väga tõsised ning puhast signaali ja selget tulemust sealt saada on üliraske. Raiki meeskonna roll koostöös biorobootika keskusega oli teha rikete haldust – kuidas kogu andmehulga pealt mingeid intelligentseid järeldusi teha. Suudeti luua hea süsteem, mis töötas erinevatel tasemetel – sensori tase, sensorgrupi tase ja agregeeritud andmete tase. Nende põhjal suutis ta panna diagnoosi – milline on sensorvõrgu tervislik seisund, millised sensorid on permanentselt katki, millistel on elektrooniline probleem ja millistel füüsiline defekt. Sai ka arvutada, milline on voolu kiirus, kui võtta arvesse vastav defekt. „Positiivne oli see, et me saime Euroopa Usaldusväärsete Süsteemide konverentsil täisartikli – see oli suur saavutus. Koostöö aitas mind tagasi teooria poolele,” räägib Raik. Teema peal töötab Raiki ja akadeemik Maarja Kruusmaa poolt ühiselt juhendatav doktorant Lauri Vihman.

Isetestivad satelliidid ja nutikas biomeditsiinitehnika Raiki uurimisgrupp panustas tippkeskuses EXCITE väga laia teemade ringi. Esiteks kosmosevaldkonda, milles uurimisgrupi liige dr Vineeth Govind töötas TalTechi satelliidiprojekti tarvis välja uudse tõrkekindla puhvri, mis kiirendas satelliidi pildiandmete ülekandmist. Samuti viidi koostöös akadeemik Tarmo Uustalu gruppi kuuluva professor Jüri Vaini ja ühisjuhendatava doktorandiga läbi uurimisprojekt, mille teemaks oli satelliidi enesetestimine. Sellest koostööst sündis kolm teadusartiklit. Paraku juhtus siin see, mis aeg-ajalt teadusprojektide puhul ette tuleb – doktorant otsustas õpingud katki jätta. Biomeditsiinitehnika valdkonnas toimus Raiki ja tema teadusgrupi professori Gert Jervani koostöö TalTechi Eesti IT Tippkeskus EXCITE

tervisetehnoloogia instituudi professorite Ivo Fridolini ja Maie Bachmanniga, kellega koos juhendati doktorante. Viimastest jõudis 2021. märtsis eduka kaitsmiseni Laura Orgo, kelle dissertatsioon käsitles depressiooni avastamiseks kasutatavate EEG signaali mõõdikute analüüsi. Lisaks töötas uurimisgrupi vanemteadur dr Tara Ghasempouri koostöös tarkvarateaduse instituudiga välja inimkeele töötluse algoritme küberturvalisuse raportite automaatseks klassifitseerimiseks ja dr Mairo Leier viis läbi koostööd biorobootika keskusega sensorvõrkude vallas.

Tippteadus ei ole Eesti jaoks enam prioriteet „EXCITE on üks tore erand, aga rahastuse saamise võimalused teaduse tegemiseks on siin riigis tegelikult nullilähedased. Isegi neile, kes on maailmas oma valdkonnas tuntud ja tunnustatud,” räägib Jaan Raik. Ta meenutab üheksakümnendate keskpaika, kui teaduses oli raha

vähe ja inimesed lahkusid. Siis aga kasvasid rahastuse võimalused kiiresti. Eesti sai Euroopas täiesti arvestatavaks teadusjõuks. Viimasel aastakümnel on teaduse finantseerimise vahendid pidevalt kahanenud. „Praegust seisu vaadates näib, et tahes-tahtmata kuivab Eesti teadus kokku. Ühest hetkest muutub finantseerimine juba raha raiskamiseks. Kui jõuame alla mingi kriitilise piiri, siis rahastame teadust oludes, kus tipud on minema läinud ja rahastatav teadus ei ole enam teadus,” maalib Raik pildi. Kui tippteadus ei murra enam tippkonverentsidele ja -ajakirjadesse, siis see pole enam teadus. Raik jätkab, et me oleme kukkumas alla sellist kriitilist piiri, millest on eriti kahju just seetõttu, et Eesti teadus ja ka selle sees olev IT-teadus on maailmas olnud tegijad. Oleme Ida-Euroopas haruldased. Teatakse meie e-riiki, aga ka meie teadlasi ja teadusgruppe. „Kaotame kriitilise massi teadlastest lähiaastatel. EXCITE on selle juures päikesekiir, aga see üksi ei päästa meie teadust,” tõdeb ta.

MIDA TOOB TULEVIK ISALE JA TÜTRELE? Isa Toomas (30) ja tütar Emma (5) Mida peaksid teadma 30-aastane Toomas ja tema tütar, 5-aastane Emma, valdkonna tuleviku kohta? Jaan Raik ütleb neile esmalt, et see on arvutiteaduse puhul väga keeruline küsimus, sest ala muutub sedavõrd kiiresti. Isegi paari aasta tagune teadustöö on täna moraalselt vananenud. Kindlasti on tulevikus arvutite pakutavad võimalused mäekõrguselt üle sellest, mida praegu naudime. Lähematel aastakümnetel võiks Toomas ja ka Emma näha revolutsiooni, mille käigus tekivad uued paradigmad, kuidas arvutid funktsioneerivad. Aastaks 2050 on loodetavasti välja töötatud juba toimiv kvantarvuti. See omakorda hakkab isa ja tütart aitama nii otsingu- kui ka erinevate planeerimisülesannete lahendamisel. Masinõppe ja -nägemise areng toob aga kaasa imepisikesed targad robotid, millest on abi nii meditsiinis kui ka mujal, kus kitsastes ning keerulistes oludes tegutseda tuleb. See, kas Emma saab tulevikus Eestis tippteadlasena tegutseda, on praegu veel küsimärgi all.

47


ROBOOTIKA, ALLVEEROBOOTIKA

Veealune robootika peidab endas uusi võimalusi. Üks Euroopa 15 tipptasemel uurimisgrupist asub Eestis Professor Maarja Kruusmaa ja tema uurimisgrupi tegevus on üks kallimaid omas valdkonnas. Tehisintellektide seas ei ole kapriissemat nišši kui veealune robootika.

K

ui õhus lennutatavad droonid on muutunud juba tavapäraseks ja isegi väikesed lapsed mängivad nendega edukalt, siis veealune maailm on hoopis keerulisem ning pole ime, et me ei saa kauplusest osta robotit või drooni, millega merepõhja avastada. Professor Kruusmaa koos oma rühmaga liigub selles suunas, et see võimalikuks saaks. Vee umbkaudne maht planeedil Maa on 1,34 miljardit km3. Sellest 97 protsenti asub soolvee kujul

48

Eesti IT Tippkeskus EXCITE


ookeanides. Eestil on umbes 25 000 km² territoriaalmerd ja rohkelt siseveekogusid. Võime sukelduda ja snorgeldada, kuid sügavatesse paikadesse satuvad meist vähesed. Teatud sügavusel lõppeb inimvõimete piir üldse ära. Et aga vett avastada, seda kaitsta ja sealt ka erinevat kasu lõigata, on vaja lahendusi, mis suudaksid seda kõike teha autonoomselt, inimkätt või isegi -aju vajamata. Miks viimast vaja on? Sest sügaval vee all ei toimi ükski sidevahend. Tavapärane juhtkäskude andmine ei ole võimalik. Kruusmaa selgitab alustuseks, et veealuse roboti katsetamiseks rakendavad nad koos matemaatikutega välja töötatud uusi algoritme ja Eesti IT Tippkeskus EXCITE

vaatavad, kas robotid muutuvad paremini liikuvaks ja veakindlamaks. Nende töö praktiline väljund on robot, mis liigub nii, nagu see on talle ette antud, kuid siiski autonoomselt. Selle saavutamine on aeganõudev ja kallis. „Töökindlus tähendab siin seda, et oleks võimalikult vähe võimalusi, et tarkvara ei tööta. Vee all ei ole see sugugi lihtne,” selgitab ta. Kui tavaliste IT-süsteemide või elektroonikalahendustega, mida kasutatakse muu hulgas tavarobotite puhul, saab teha palju katseeksitusmeetodil teste, siis vee all seda teha ei saa. See on kulukas ja ajamahukas. Kruusmaa võrdleb protsessi maja ehitamisega, kus samamoodi ei hakata lihtsalt materjale üksteise

külge seadma, veendumata enne, kas hoone kukub kokku või mitte. „Allveerobootikas räägime välikatsetest. Veakindlus tuleb enne väga hästi läbi mõelda. Tippteaduskeskuses, kus me tegutseme, teeme alusteadust. Näiteks matemaatilisi algoritme. Modelleerime kõik läbi, veendumaks, et robot töötab kõikidel juhtudel nii nagu vaja,” räägib uurimisgrupi juht.

Eestisse tuli teema koos Kruusmaaga Kuna allveerobootika on finantse nõudev valdkond, ei ole maailmas ka kuigi palju töögruppe, kes oleks suutnud sellise võimekuse üles ehi-

49


ROBOOTIKA, ALLVEEROBOOTIKA

tada. Seda ei saa üleöö tekitada, räägib Kruusmaa. See võimekus ei teki ka ainult mõne inimese najal. Vaja on infrastruktuuri ja mitmeid teadlasi, kes teevad tehnilist inseneri tööd. Maarja Kruusmaa ütleb, et Euroopas on selliseid teadusgruppe, kes on ka heal rahvusvahelisel tasemel, ehk 15. „Käime kõik ka tihedalt läbi.” Kuidas aga juhtus nii, et üks sellise valdkonna teadmiste ja arengute keskus asub Eestis? Üheks põhjuseks on Kruusmaa ise, kes tõi teema siin pildile. Lisaks on Eesti mereriik. „Meie rannikumeres on teistsugused tingimused kui sügaval ookeanis. Siin tekib erinevaid tehnilisi probleeme. On madal vesi, halb nähtavus, külm kliima, setted – madalas vees on ebastabiilne keskkond. Lainetus ja hoovused. Osaliselt on allveerobotitel siin teistsugused väljakutsed,” avaldab Kruusmaa Eesti vete eripära.

Kui robot kaob, siis lõplikult Miks allveerobootika on kallim kui maa peal liikuvate tehisintellektide arendamine? Robot peab olema veekindel, kuid väga oluline on seegi, et roboteid võidakse kasutada kohtades, kuhu neile ei saa järele minna. Kui midagi juhtub, võibki ta jääda veekogu põhja – kuskile, kust teda ei õnnestu kätte saada. Nagu ütleb Kruusmaa, siis kui robot lahti lastakse, loodetakse ikka, et see tuleb

tagasi. Kuna vee all ei ole aga wifit ega muud nutikat lahendust, kuidas robot saaks sinuga ühendust pidada, ei ole sul võimalust teda jälgida. „Kui robot ei tule tagasi, kaotad ka kõik andmed,” toob Kruusmaa välja.

Allveerobotite toodavat kasu ei tunne inimene otseselt oma rahakotis, kuid kaudselt muutub maailm paremaks ja turvalisemaks kohaks. Veekindlus aga ei ole võrreldavgi sellega, kui õhus lendav droon peab taluma vihma. Vee all on ikkagi surve ja kui vähegi võimalik, tuleb vesi sisse. Kruusmaa ütleb, et mingit nõiakunsti kasutama ei pea, aga lahendused maksavad. Teine keeruline koht on see, et elektromagnetlainetele on vesi väga halvasti läbitav. Olgu wifi, raadiolained või GPS. Kui tahad robotiga sidet pidada, siis saad seda teha üksnes kaabliga. See aga tähendab omakorda, et robotit ei saa kaugele lasta. „Kui kaabli ära võtad, siis on see 100 protsenti autonoomne. Pead ehitama roboti, mis saab täiesti ise hakkama. Ta peab suutma ühest kohast teise minna GPS-i koordinaatide ja

kaartideta,” selgitab Kruusmaa võimatuna tunduvat olukorda. Isegi kaabliga ühendatud roboti juhtimine ei ole iseenesestmõistetav. Kasutajaliides peab hea olema. Vee alla pannes ei pruugi sa drooni nähagi. Selle juhtimine ei ole intuitiivne ja sellega harjumine võtab palju aega.

Koostöö kahe tippteadlasega Kruusmaa meeskond teeb tihedamat koostööd kahe EXCITE juhtivuurijaga. Veakindlate juhtimisalgoritmide teemal töötatakse koos Ülle Kottaga. Tema toob Kruusmaa sõnul matemaatikuna kaasa alusteadmised, samal ajal kui Kruusmaa tiimilt tuleb rakenduslik osa. „Meil on robotid ja teadmine, kuidas ehitada ja katsetada. Üllel on teadmine, kuidas neid matemaatiliselt kirjeldada ja kuidas tõestada, et nad töötavad nii, nagu on kirjeldatud,” selgitab ta. Teises projektis tehakse koostööd Jaan Raikiga, kes on veakindlate süsteemide professor. Ühiselt murtakse pead allvee sensorvõrkude ja -andurite teemal. Need peavad andmeid koguma vee alt. Selle koostöö tulemusel peab valmima tarkvarasüsteem, mis saab aru, kui mõni sensor ei tööta. See peab avastama vigu. „Peame läbi modelleerima, et andurite võrgu abil saadud andmed oleksid usaldusväärsed. Aru saama, millal muutub sensorvõrk nii kehvaks, et see ei tööta üldse,” toob Kruusmaa näiteid.

Allveerobotid muudavad paljut Jõuamegi selleni, milline on selliste robotite praktiline kasutus. Üks pool on see, et igasugused vee all tehtavad inimtööjõudu nõudvad tööd on tihti kallid ja ohtlikud. Allveekeevitajad teenivad väga korralikku töötasu, nagu ka ohtlikesse kohtadesse sukeldujad. Selle sees on töö ohtlikkuse koefitsient. Kuid vetes on kohti, kuhu ükski sukelduja – ükskõik kui professionaalne ja suurte kogemustega – kindlasti minna ei soovi. Võtame näiteks laevavrakkide ohtlikud ja teadmata oludega sisemused või sadama-

50

Eesti IT Tippkeskus EXCITE


konstruktsioonide all asuvad kohad. Kui kaalul on väga suur oht inimelule, siis jäetakse minemata. Samamoodi, kui on vaja uurides liikuda pikki vahemaid või langeda väga sügavale vee alla. Allveerobot võib ujuda Šoti läänerannikult Newfoundlandini ja korjata samal ajal andmeid. Inimene seda teha ei saa. „Ei hakka ka saama. Ei ole mõtet inimest sellise töö peale pannagi,” ütleb Kruusmaa. Allveerobotid võiksid niisiis asendada paljut, mida juba praegu vee all tehakse, aga lisada veelgi võimalusi. Selliseid roboteid oleks võimalik rakendada näiteks keskkonnaseireks. Nad saaksid pidevalt kontrollida meie rannikuvett – mikroplasti koguseid, sinivetikate vohamist, kalade kudemiskohti, reostusi. Või liigume lausa kriminaalsetele radadele. Allveerobot saaks edukalt vaadata üle kõik sadamasse tulevad laevad, et ega narkoärimehed ei ole laeva veealusele osale kinnitanud mingeid pakikesi. Kui seda teeks tuuker, oleks see ajamahukas ja kallis tegevus. Robot saaks sellega hakkama iga sadamasse saabunud laeva puhul. „Seega võib öelda, et allveerobotite Eesti IT Tippkeskus EXCITE

Oleme jõudmas sinna, et veealuseid roboteid võivad osta keskklassi kuuluvad pereemad lapsele jõulukingiks. Neid saab peagi supermarketitest osta. toodavat kasu ei tunne inimene otseselt oma rahakotis, kuid kaudselt muutub maailm paremaks ja turvalisemaks kohaks,” on Kruusmaa veendunud.

Allveedroonid kauplustesse Küll aga võib tavaline inimene tunnetada üht arengut, milleni allveerobootika samuti tüürib. Samal ajal kui robotid muutuvad kiiremaks ning läbivad suuremaid vahemaid, muutuvad komponendid ja robotid ise väik-

semaks. Neid tuleb teistmoodi juhtida ning mõelda, kuidas need vee all stabiilsuse säilitaksid – et hoovused ja lained neid minema ei viiks. Sellised arengud toovad aga kaasa selle, et senised suured ja kallid allveerobotid muutuvad väiksemateks ja odavamateks. Kui komponentide hinnad alla lähevad, võivad neile ligi saada ka tavalised inimesed. „10–15 aastat tagasi olid lendavad droonid väga kallid ja ainult sõjaväe pärusmaa. Veel aastaid tagasi oi olnud võimalik, et kalli jahi omanik ostab roboti, viskab selle vette ja vaatab selle abil, mis kiilu all toimub. Oleme jõudmas sinna, et veealuseid roboteid võivad osta keskklassi kuuluvad pereemad lapsele jõulukingiks,” toob Kruusmaa välja. Ta nendib siiski, et päris lendavate droonidega võrreldavasse hinnaklassi need ei jõua, kuid tendentsi olulise odavnemise suunas on näha. „Neid saab peagi supermarketitest osta,” usub ta. See tähendab ka, et huvi allveerobotite tootmise vastu suureneb. Samas on eratarbija turg selles valdkonnas suure tõenäosusega ebastabiilne, sest nagu kõiksugu vidinatega kipub ole-

51


ROBOOTIKA, ALLVEEROBOOTIKA

ma – üks hetk on need moes, järgmisel hetkel enam ei ole. Professionaalide turul tegutseda on mõistlikum nii tootja kui ka müüjana. Ettevõtted ei käitu ebaratsionaalselt, sest nende võit peitub efektiivsuse kasvus ja riskide vähendamises.

Koostöö ettevõtetega Professori hinnangul on täiesti normaalne, et tippteadust ei rahasta ettevõtted otse. Miks nad peaksid selle riski võtma? Tema uurimisrühma allveerobootikaalaseid uuringuid rahastab suures osas Euroopa Liidu maksumaksja. Eesti riigi panus on väike. Kruusmaa selgitab, et nemad tegelevad ikkagi alusuuringutega, mis tähendab, et enne reaalsesse kasutusse jõudmist läheb aastaid aega – uuringuid, teste, vigu ja neist õppimist. „Ettevõtete huvi tuleb hilisemas staadiumis. Tõsi, sensorvõrkudega katsetame Sillamäe sadamas. Seal huvitatuid on. Tootjate poole pealt ka. Robootikaga on keerulisem. Eestis ei tea ma, et keegi ehitaks väikeseid roboteid,” räägib Maarja Kruusmaa. Kusjuures Sillamäe sadamas on nende installatsioon olnud juba mitu aastat. Selle aja sees on süsteem ka kord viga saanud, kuid Kruusmaa leiab igas asjas midagi positiivset – katsetamise mõte ongi selles, et kui

52

Eesti allveerobootika uurimisrühma eristab teistest esmalt see, et biorobootika keskuses uuritakse bioloogiast inspireeritud roboteid.

midagi katki läheb, siis tuleb see uuesti üles ehitada. Lõpuks hakkavad roboteid ehitama ikkagi insenerid, teadlastelt saadud teadmiste järgi. Kruusmaa sõnul on kaks viisi, kuidas tema rühmalt saadud uued teadmised väljapoole levivad. Üks on teaduspublikatsioonid, mida kõik saavad lugeda ja rakendada, et ehitada paremaid roboteid. Teine on see, kui teadmised lahkuvad koos uurimisrühma liikmega. „Laborist ettevõtetesse. Mitmed helged pead on sel moel meie juurest läinud,” ütleb ta. Eesti allveerobootika uurimisrühma eristab teistest esmalt see, et biorobootika keskuses uuritakse bioloogiast inspireeritud roboteid. Kasutakse teistsuguseid tehnoloogiaid. On aga ka madala vee rakendused, mis ei ole tihti lihtsamad, vaid isegi keerulisemad kui sügavama vee omad. Selge on see, et keerulises ja kallis valdkonnas toimetamine võib muuta oluliselt seda, kuidas oma veemassiivide kohta teadmisi saame. Lisaks võime tänu Kruusmaale ja tema meeskonnale ühel hetkel leida sotsiaalmeediast kassipiltide asemel ehk imekauneid fotosid ja videoid veekogude põhjast – maailmast, mis paljudele meist praegu veel müstiline ja tundmatu on.

MIDA TOOB TULEVIK ISALE JA TÜTRELE? Isa Toomas (30) ja tütar Emma (5) Professor Maarja Kruusmaa usub, et robotid on aastakümnete pärast oluliselt autonoomsemad ja saavad ise hakkama. Teiseks suudavad nad pikemat aega üksi töötada – saadad ta välja ning kahe nädala pärast on ta tulemustega tagasi. Kust ta energiat saab? Juba praegu on installatsioone, kus aku laadimise jaamad on vee all olemas. Kolmandaks arengusuunaks on uued valdkonnad, millega seni ei olegi saanud tegeleda, sest inimesed ei soovi või ka kõige parema tahtmise korral ei saa neid töid teha. Lisaks kõiksugu vee keskkonnahoiuga seonduv. Reostustest, saastumisest, sinivetikatest ja muust taolisest kohe teadasaamine. Veekogude pidev analüüsimine ja seiramine on meie tulevik.

Eesti IT Tippkeskus EXCITE


ROBOOTIKA – PEHMED ROBOTID

Alvo Aabloo:

pehmed robotid võiksid tulevikus päästa elusid Professor Alvo Aabloo kirg on robootika. Eeskätt just pehmed robotid, mis võivad juba peagi tuua kaasa suuri muutusi nii mõneski valdkonnas – eriti aga meditsiinis.

T

artu Ülikoolis töötab robotitega umbes 40 inimest, pehme robootikaga kümmekond teadlast. Esialgu koos teise EXCITE tippteadlase Maarja Kruusmaaga allveerobotite alal alustanud Aabloo sõnul liigub pehmete robotite valdkond üha enam meditsiini ja looduse suunas. Seejuures hõlmab töö nii materjale, juhtimist, kontrolli kui ka robotite ehitamist. Aabloo ütleb otse, et nad kuuluvad valdkonna tipptegijate sekka. Globaalsed tegijad teavad teineteist ning jälgivad üksteise töid ja tegemisi tähelepanelikult. „Me ei ole unikaalsed, päris paljud proovivad. Me kombineeEesti IT Tippkeskus EXCITE

rime erinevaid materjale ja meil on mõned unikaalsed materjalid, mida püüame kombineerida olemasolevate juhtivate polümeeridega,” selgitab Aabloo enda rühma töö sisu. Ta toob välja, et tänapäeval on valdkonna areng peamiselt materjalide taga kinni – need ei ole nii head, kui teadlased tahaksid. Samas nähakse nende arendamisega vaeva, et pidada sammu n-ö pärisrobootikaga. Aabloo sõnul on viimased praegu veel kiiremad ja efektiivsemad. „Aga meil on erirakendused, kuhu neid raudpoisikesi ei saa saata. Räägime siin loodusest ja meditsiinist. Me oleme mitteinvasiivse kirurgia põhised ning seal õnnestub meie loo-

dut hästi rakendada,” selgitab Aabloo. Seetõttu peavad nad näiteks mõtlema ka bioühilduvusele ja sellega tegelema. See tähendab, et kui teadlaste loodud robotid inimese sisse lähevad ja jäävad, siis ei tohi materjalid mürgised olla. Tavaliselt kipuvad need justnimelt toksilised olema.

Aabloo teekond valdkonnani Alvo Aabloo tegeles varem intensiivselt hoopis polümeerakude valdkonnas, kuid sattus ükskord lugema uudist, et maailmas tegeletakse sellise põneva teema nagu pehmete robotitega. Ta sai aru, et tema toonases tegevuses ja selles, millest luges, on palju sarnasusi. Kui akude ja superkondensaatorite puhul otsitakse maksimaalset energiaefektiivsust, siis pehmete robotite puhul liikuvust. Materjalid on suhteliselt sarnased. Optimeerimine käib lihtsalt teise eesmärgi nimel.

53


„See tundus südamelähedane ja originaalne ning miski, mis võiks inimesi kaasa tõmmata. See on ikkagi bioloogiast inspireeritud seade. Järjekordne hammasratta treimine ei käivita inimesi sedavõrd. Teaduses on väga oluline, et ühiskond saaks aru, mida sa teed või miks sa teed,” avaldab Aabloo.

EXCITE sees on Aablool ikka ja jälle asja Tallinna professori Jaan Raiki juurde. Nad tegelevad koos mikrovalmistamisega. Tallinnas on olemas teadmised ja tarkvara. Koostöös disainitakse ning seejärel läheb Aabloo rühm Prantsusmaale, kus on vastavad laborid, kus materjale valmistada. „Jaan Raikiga on

meil väga hea koostöö,” ütleb professor.

Rahvusvaheline seltskond Aabloo meeskond on rahvusvaheline. Lisaks käib tihe rahvusvaheline koostöö – on riikidevaheline konsortsium ning üks Euroopa Liidu projekt koos itaallaste ja prantslastega. Ette on tulnud isegi ligi 20 välispartneriga projekte. Professor pakub, et maailmas tegeleb sama teemaga ehk liikuvate materjalidega umbes 50 tipptasemel seltskonda. Aga neid, kes tegelevad just materjalidega, millega Aabloo rühm, on ligi 15. „Tõsiseltvõetavaid teadusgruppe on just nii palju.”

Pehme roboti olemus Teeme nüüd selgeks ka pehme roboti mõiste. Põhimõtteliselt on tegu pehmetest materjalidest robotitega. Kui inimene sellist puutub, annavad robotid järele. Need on polümeersetest materjalidest, mis painduvad, kui neile välist jõudu avaldada. Ühtaegu on robotid väga väikesed. Seetõttu on nad ka inimeste läheduses ja

54

Eesti IT Tippkeskus EXCITE


ROBOOTIKA – PEHMED ROBOTID

nende sees ohutud. Nad ei tee suurt viga, isegi kui juhtimises peaks midagi valesti minema. Tööstusrobotite puhul tegeletakse samal ajal sellega, et nad saaksid üldse inimestega koos samas ruumis viibida. „Meil on see hea, et me ei pea mingit erilist tarkvara selleks arendama. Meil on lihtsalt materjalid, mis on n-ö järeleandlikud,” selgitab professor Aabloo. Ta avaldab, et pehmete robotite puhul ei räägitud alguses kuigi palju nende meditsiinivaldkonna võimalustest. Keegi ei uskunud nimelt, et need oma arengus nii kaugele jõuavad, et neid saaks inimeste sisse panna. Aabloo ütleb, et pehmete robotite kasutusalad on kõik need, kus tegemist on mingi teise elusa organismiga, mis asuvad robotite läheduses – on see siis inimene, loom või mõni õrn objekt.

Teaduses on väga oluline, et ühiskond saaks aru, mida sa teed või miks sa teed. „Meditsiinis on arengud suhteliselt kiired ja vajadused väga suured. Infarkti, insuldi ja teiste väga tõsiste haigusseisundite ravi on kiire invasiivne kirurgia. Kui me Philipsiga koostööd tegime, siis nad ütlesid, et on vaja, et insulti suudaksid ravida ka väiksema ettevalmistusega arstid,” räägib Aabloo. See annab aimu valdkonna tähtsusest. Küsimus on tervise ja elude päästmises.

Robotil kolm peamist komponenti Kes ei ole valdkonnaga kokku puutunud, ei kujuta ettegi, mida kujutab endast üks pehme robot. Sel on olemas toiteallikas ning pehme ja painduv osa. Kindlasti on selle sees tarkust andev elektroonika. Ka viimast püütakse teha pehme ja painduvana. Tehnoloogia selleks on maailmas olemas. Aabloo toob näite praegusest tegevusest. Kui inimesel on kõrvapõleEesti IT Tippkeskus EXCITE

55


ROBOOTIKA – PEHMED ROBOTID

ne teema, sest farmaatsiatööstus oskab teha järjest paremaid ravimeid, aga mida parem see on, seda suurem mürk ta on,” räägib Aabloo. Lokaalselt lahendades mürgitatakse ainult konkreetne osa inimesest ja nii saadakse haigusest jagu ülejäänud keha kahjustamata.

Lihaste arendamisest on asi kaugel Ehkki Aabloo valdkonnas kasutatakse terminit „tehislihased”, ei tähenda see siiski, et oleme lähedal kunstlihaste kasutuselevõtule. Tänapäeval ei olda veel valmis surnud lihast asendama, sest inimeste lihased uuenevad kogu aeg, rakud vahetuvad. Kunstlihased ei suuda end uuendada ja neil on mingi lõplik eluiga. „Tehislihaste all peame silmas lisaseadmeid, -aparatuuri, millega saab elukvaliteeti tõsta. Arstide abivahendeid, et inimest peaks vähem lõhki lõikama,” selgitab Aabloo. Kaugem eesmärk on, et kõik läheks laparoskoopiale üle. See tähendab, et inimese kõhtu, rindkeresse või kuhugi mujale tehakse mõned väikesed augud. Sealt aetakse targad kateetrid sisse, mille otsikute abil saab inimesele tähtsa protseduuri läbi viia.

Maailmas tegeleb liikuvate materjalidega umbes 50 tipptasemel seltskonda. Tõsiseltvõetavaid, kes tegelevad materjalidega nagu meie, on ligi 15. tik, siis praegu vaatab arst lambiga kõrva sisse, aga ta ei näe kuigi sügavale. Uurimisrühm püüab arendada sellist pehmet sondi, mida saab inimese kõrva sisse viia, et arst saaks sügavamalt vaadata. Selle pehme lihase otsa pannakse kaamera. Arst saab suunata selle keskkõrva sisse ning seal ringi vaadata ja informeeritumaid otsuseid teha. Mingil hetkel vajadusel ka proovitükke võtta. Sel

56

moel saaks ka ravimit viia õige kohani ehk selle manustamist täpselt lokaliseerida. Viimane tähendab, et ravimid võivad olla kangemad, sest need jõuavad otse kohale, mitte ei pea läbima enne teisi keha piirkondi. „Nii me edasi liigume. Võib-olla mingil hetkel saame kirurgias inimese sisse viia vaatlejaid või ravimi lahti laskjaid. Just seesama lokaalne ravimi rakendamine on praegu aktuaal-

Aabloo toob näiteks Philipsiga koostöös tehtud projekti, mille keskmes oli mõte teha insuldi raviks kateetri ots. Kateeter lükataks reiest sisse ja selle lõppsihtkoht oleks inimese pea. „Tasapisi liigume selles suunas. Me võiks liikuda kiiremini, aga juba mainitud materjaliteadus on see, millega tuleb rohkem tegeleda,” toob Aabloo taas välja niši kitsaskoha. Eesti IT Tippkeskus EXCITE


Lõpuks sõltub edu juhusest Alvo Aabloo räägib ka sellest, kuidas nende saavutused võiks leida tee laiemasse käibesse ning tekitada rahavoogu teadlastele endile. Patente on nad teinud, aga kohe praegu midagi tooteks vormima ei hakata. See võtab veel aega. Samas on huvi niši vastu suur – kõik ootavad, et keegi leiaks lahendusi. Teemaga on maailmas tegeletud ligikaudu 20 aastat. Oodatakse, mis on nüüd see, mis ka päriselt rakendust leiab. Liigume jutuga tagasi materjalide juurde, sest need on tõesti kogu valdkonna võtmekohaks. Analoogilistest materjalidest, mida ka Aabloo grupp kasutab, tehakse juba näiteks kõlareid. Aabloo kirjeldab, et need pannakse seina nagu tapeet, aga tegelikult on seal sees kõlar. Paraku peavad need vastu üksnes mõne aasta. Teiselt poolt peavad tehislihased olema hästi pisikesed, et neid inimese sisse saata. Ainult siis on toode konkurentsivõimeline. „Väga paljud maailmas tegelevad tänapäeval tarkade tablettide ja kateetritega. Sõltub paljuski juhusest, kes lõpuks oma lahendusega läbi lööb,” räägib professor.

Meditsiinivälised rakendused Meditsiin ei ole ainuke valdkond, kus võiks pehmetest robotitest abi olla. Aabloo nendib, et vahepeal moes olnud energiakorje on oma sära kaotanud. Kuna kõik meie ümber liigub ja vibreerib, leiti, et sellest võiks korjata energiat ja seda lokaalselt kasutada. Tekkida võiksid n-ö offgrid-energiaallikad. Ehkki suurem hoog on praeguseks vaibunud, tegeleb Aabloo rühm teemaga edasi. Ka siin on peamine takistaja sobivate materjalide puudus. Neid tuleb ise välja arendada. „Töö käib,” kinnitab Aabloo. Ta on ise seotud kodumaise baarirobotiga Yanu. Siin tuleb mängu huvitav teema. Nimelt oleks baarirobotit Aabloo sõnul imelihtne teha, aga see näeks välja nagu tehas. „Ja kes see ikka tahab veeta õhtut baaris, mis näeb välja nagu masinatööstusettevõte,” ütleb ta. Siin tõstatubki küsimus, kas robotite puhul peaks silmas pidama ka esteetikat ja kunstilist poolt. Inimesed soovivad, et nende ümbrus oleks ilus ja korras. Siiani oli robootika suures osas inseneride mängumaa, aga kui räägime teenindusrobotitest, siis räägime esteetikast ja sellest, et need peaks olema inimese moodi. „Ta peab vähemalt tunduma, nagu ta oleks elus,” selgitab Aabloo. Lääne kultuurile ei ole masinatega suhtlemine omane, Aasias, näiteks Jaapanis, on robotitega suhtlemine jälle igati tavaline. „Meie siin peame oma masinad tegema inimestele lähedasemaks. Samas, kui ta on väga sarnane, tekib jälle võõristusefekt,” toob ta välja. Niisiis peab mingi tahk tekitama sümpaatiat ja emotsiooni, mingi pool aga tekitama siiski arusaama, et tegu on masinaga, mitte pärisinimesega. „Ei tasu inimeste päid päris segi ka ajada,” arvab Aabloo. Pehmed robotid ja tehislihased on väga põnev valdkond ning teadlased püüavad praegu mimikeerida ja aru saada, kuidas töötavad taimed. Et ehitada selliseid roboteid, mis kasutavad taimedele omaseid põhimõtteid ja loogikaid. Näiteks ronimisel. „Taimed oskavad hästi kinni haarata. Teadlased jälgivad seda kõike tähelepanelikult ja püüavad seda pehmete robotite puhul matkida. Rakenduslik pool aga on ja jääb selgelt peamiselt meditsiinikeskseks.” Eesti IT Tippkeskus EXCITE

MIDA TOOB TULEVIK ISALE JA TÜTRELE? Isa Toomas (30) ja tütar Emma (5) Alvo Aabloo näeb, et saja aasta pärast on meie igapäevane reaalsus see, et pehmed robotid tegutsevad meie ümber. Eriti inimeste hooldamise ja meditsiini valdkonnas. Nad hoiavad silma peal nii vanainimestel kui ka lastel. Ta usub, et järjest enam lähevad lendu teenindusrobotid – need, mis tegelevad inimestega. „Seal peavad need olema ohutud. Isegi kui inimene on natuke ebaadekvaatne, ei tohi ta kannatada saada.” Mikrorobotid tervishoius on ka reaalsus. Miks võtab see nii kaua aega? Aabloo sõnul on inimkonna praegune fookus energiaprobleemidel ja rohepöördel. Need teemad võtavad teistest valdkondadest natuke jõudlust maha. „Kui Euroopa saab rohepöörde tehtud, vaadatakse taas muude teemade poole,” on Aabloo kindel. Samas on probleemid nii hoolduses kui ka meditsiini poolel selged ja suured. Õdede ja koduhooldajate arvu ei saa lõpmatult suurendada ning tehnoloogia peab need probleemid lahendama. See, et haiglates kasutatakse tulevikus personalina ka roboteid, on samuti loogiline asjade käik. Seejuures võivad tuleviku robotõed ja -hooldajad olla inimnäolised, mitte lihtsalt karbid, kastid või metallkolakad. Nad hoiavad inimeste kätt ja toetavad neid. Aabloo ütleb, et inimeste nägusid on kunstlihastest tehtud palju, kuid praegu on need veel küllalt kallid. Tehnoloogia peab odavnema ja seda peab optimeerima. „Vanainimeste puhul on vaja lahendada suhtlus- ja tugiprobleem. Tuleb aidata ja ka silma peal hoida või mingeid asju meelde tuletada. See hakkab olema kombinatsioon erinevatest tehnoloogiatest – masinõpe ja närvivõrkude õpe, et robot saaks kohaneda konkreetse inimesega,” selgitab Aabloo. Ta on aga kindel, et ka 100 aasta pärast vajavad vanainimesed füüsilist kontakti. See, kuidas tehakse tulevikus raskeid operatsioone ning ravitakse väga tõsiseid haigusi, näitab aeg, kuid võib eeldada, et ei ole kaugel aeg, mil pehmed robotid osutuvad väga suureks abiks ja päästavad elusid.

57


Marlon Dumas: kas tehisintellekt suudab üksinda ettevõtet juhtida?

Professor Marlon Dumas ja tema meeskond on võtnud südameasjaks selgitada välja, kuidas tehisintellekt saab aidata ettevõtetel paremini toimida. Mida rohkem Marlon Dumas seda küsimust uurib, seda enam on ta veendunud, et ettevõtted vajavad alati klientide mõistmiseks ja teenindamiseks inimest. 58

Eesti IT Tippkeskus EXCITE


ETTEVÕTETE TULEVIK

M

arlon Dumas tuli Tartu Ülikooli 2007. aastal ja ta teab, et andmetest saab järgmisel kümnendil edukate ettevõtete ja avalike teenuste üks olulisemaid osi. „1980. aastatest saadik oleme palju õppinud andmete kogumise, salvestamise ja haldamise kohta. Tänapäeval registreerivad ettevõtted oma infosüsteemides klientide ja töötajate kohta palju andmeid. Kuid järgmine samm ‒ leida andmetest vastused ‒ on ikka veel keeruline ja seda tehakse käsitsi. Andmetest ammutatakse 2020. aastatel teadmisi samamoodi, nagu toimis 19. sajandil transport. See on aeglane ja tüütu ning takistab edusamme.”

Hobused ja vankrid Vaatame kahte näidet. Esiteks hilinevad su ettevõtte saadetised aeg-ajalt. Teiseks ei saanud su klient seda, mida oli tellinud. Praeguste tavade järgi võtab nädalaid või isegi kuid, et kõik põhjused välja selgitada ja ettevõtte töö paremaks muuta. Sageli tuleb andmevigade eraldamiseks, puhastamiseks ja parandamiseks kokku kutsuda terved analüütikute ja andmeteadlaste meeskonnad, enne kui andmeid saab isegi analüüsima hakata. Seejärel peavad nad küsimustele vastamiseks koostama ja analüüsima erinevaid diagramme ja graafikuid.

„See on väga aeglane, nagu oli 19. sajandil hobuste ja vankritega reisimine. Siis saadi aru, et meil on vaja aina paremaid hobuseid ja vankreid, kuni viimaks autod ja lennukid muutsid kõike. Nüüd on vaja autosid ja lennukeid, mis võimaldavad meil andmed kiiresti arukateks otsusteks muuta,” selgitab Dumas. Juhti võib ärritada, kui ta saab pidevalt kaebusi, et klient ei saanud oma tellimust õigel ajal kätte. Juht tahaks teada, miks see juhtub, kuid põhjus võib peituda milles iganes. Andmeteadlased võtavad aastajagu andmeid ja veedavad neid uurides nädalaid või isegi kuid, et välja selgitada, mis nende kaebusteni viib. Muidugi leiavad nad enamasti põhjuse, kuid mõne aja pärast tekivad uued

probleemid, nii et juht peab veel kord andmeteadlaste poole pöörduma. See korduv tsükkel näib lõputu.” Tehisintellekt aitab meil mõista, millist teavet on õige vastuse saamiseks vaja. Lihtsamalt öeldes tuvastab see mustrid, ja nendel põhinevad vastused võivad iga ettevõtte töö paremaks muuta. Tehisintellekt suudab analüüsida tuhandeid võimalusi, et avastada, miks midagi valesti läks. „Seda tüüpi uurimistööd teeme ka EXCITE-s. Sellest saab juba kümne aasta pärast kommertstoode. Usume kindlalt tehisintellektipõhise äri täiustamisse.” Dumas usub, et Eesti on suurepärane testimiskeskus, kus töötada välja „autosid ja lennukeid”, mis võimaldavad ettevõtetel saada and-

Protsesside automatiseeritud täiustamine Eksperditeadmised Ettevõtte süsteem

Kl

d

Tsükliaeg

Täiustusvõimalused

Värkvõrgu-, veebi- ja andmekogumisvood

Eesti IT Tippkeskus EXCITE

Tehisintellektipõhine äriprotsesside optimeerija

Ressursikulu

59


Uurimisgrupp (vasakult paremale): Awais Ali, Fredrik Milani, Orlenys Lopez-Pintado, Gamal Elkoumy, Marlon Dumas, Manuel Camargo, Katsiaryna Lashkevich, Anti Alman ja Kateryna Kubrak.

metest vajalikke teadmisi. „Eesti on värske ja dünaamiline,” ütleb ta ja lisab: „Teie riik sündis digiajastul uuesti. Teie valitsus ja ettevõtted on koos sellega kasvanud. Eesti on väga hea koht õppimiseks ja meie tegemiste katsetamiseks.”

Kaks peamist proovikivi Muidugi leidub proovikive, millest üks on privaatsus. Euroopas on olemas kindel raamistik GDPR, mis keelab teadlastel jälgida veoautojuhtide biomeetriat, kui nad teevad tarneid eelneva nõusolekuta. Teadlased peavad leidma andmete kogumiseks ja analüüsimiseks nutikad viisid, kaitstes samal ajal nende inimeste privaatsust, kellelt andmed on saadud. „See on palju keerulisem, kui alguses tundub. Kui ma tean kolme konkreetset kohta, kus sa oled käinud, saan kergelt järeldada, et just sina oled nende andmete taga, mida enda ees näen. Peame kõik ano-

60

Eesti riik sündis digiajastul uuesti. Eesti on väga hea koht õppimiseks ja meie tegemiste katsetamiseks. nüümseks moondama, kuid tegema seda viisil, mis ei muuda andmeid kasutuks,” ütleb Dumas. Teine katsumus seisneb andmetest keerukate mustrite leidmises ja seejärel nende lihtsas seletamises, et ärikasutajad saaksid neid tõlgendada. Meil on selline tehnoloogia nagu süvaõpe, mille abil leida suurtest andmemahtudest väga keerukaid mustreid. Kuid otsustajate informeerimiseks on neid mustreid väga keeruline lahti seletada. Süvaõppe abil võib öelda, et kättetoimetamine hilineb, kuid see ei suuda lihtsate sõna-

dega seletada, miks. See on masendav. See on nn musta kasti tehnoloogia. „Me töötame väga kõvasti, et saaksime andmed ettevõtetele mõistetavaks muuta. Seda nad tegelikult vajavadki,” ütleb Tartu Ülikooli professor Dumas.

Rutiinse töö kindlakstegemine Ettevõtte arendamiseks on andmeid keeruline kasutada, kuid kui probleemidele leitakse lahendused, on sellel väga nähtavad eelised. Näiteks saab rutiinset tööd töötajate aja raiskamise asemel automatiseerida. Kõik, kes kusagil töötavad, saavad sellest aru ‒ kopeerid ja kleebid pidevalt midagi, teed tarbetut ja tüütut tööd, mida sinu arvates saab kindlasti vältida. Dumas teab, et tehisintellekt võib seda olukorda parandada. See suudab andmete põhjal tuvastada rutiinse töö ja võimaluse korral selle automatiseerida, et töötajad saaksid keskenduda millelegi, Eesti IT Tippkeskus EXCITE


ETTEVÕTETE TULEVIK

mis nõuab nende tegelikke oskusi ja asjatundlikkust. „Rutiinse töö avastamiseks salvestame selle järk-järgult sinu sülearvutist. See tähendab, et me kogume palju privaatset teavet ja peame seda loomulikult tegema turvaliselt. Seejärel peame teadvustama, milliseid tegevusi sa sageli kordad ja milliseid neist saab automatiseerida,” kirjeldab Dumas. Sellest aga ei piisa. Peame leidma korduvad rutiinsed toimingud, mida saab automatiseerida, ja seejärel kasutajatele seletama, millised protsessid tuvastasime ja kuidas neid automatiseerime. Kui teeme seda tarkvararoboti abil, tuleb selgitada, kuidas tagame, et see ei tee vigu ning saab aru rutiinse töö ja erandite erinevusest. „Sa ei usalda, et Excel teeb su eest töö ära, ja kui see lihtsalt ütleb sulle, et teeb seda, siis soovid tõestust.”

Järgmise kümne aasta jooksul paraneb kliendikogemus tähelepanuväärselt, 21. sajandi suureks võitjaks saab kliendikogemus. miselt levinumaid teid, mida kasutajad kodulehel valivad, ja selgitada välja, millised neist põhjustavad kasutajatele probleeme. Kus nad kõige rohkem vaeva näevad ja millele liiga palju aega kulutavad? „See pole edasiviiv. See on üsna suur töö ja nõuab palju andmete eeltöötlust ning turvalisusega arvestamist. Eeldame, et tulevikus suudame tehisintellekti abil leida kiirema viisi,” ütleb Dumas ja lisab, et masinõppe abil saab leida, milline osa keerukast veebisaidist– näiteks valitsuse omast – põhjustab kasutajatele probleeme ja kuidas seda saab parandada, et muuta kasutaja elu lihtsamaks. Üks näide vajadusest seda tüüpi tehisintellekti järele on hiljutised katsumused ulatusliku vaktsineeri-

E-valitsuse parandamine Marlon Dumas meeskond on aidanud ka riigiameteid, et teada saada kuidas kodanikud kasutavad portaale. Selliste projektide läbiviimine võtab aega kolm kuni kuus kuud. Lõpus saab vastata käputäiele küsimustele, mis käsitlevad pea-

miskampaania korraldamisega. Eakad inimesed vajasid asjakohast teavet. Seetõttu tuleb valitsuse kodulehti ajakohastada ja kõik probleemid, mis inimestel asjakohase teabe leidmisel tekivad, kiiresti lahendada. Kaalul oli rahva tervis. Tulevikus tuvastab tehisintellekt pidevalt, milliste proovikividega eri inimrühmad rinda pistavad ja kas nad saavad vajalikku teavet. „Kui jätkame kliendiandmete analüüsimist praegusel moel, võtab probleemide leidmine ja lahendamine nädalaid või kuid, nii et me ei suuda tulevaste katsumustega toimetulekuks piisavalt kohaneda,” lisab Dumas.

Ei asenda andmeteadlasi Kümne aasta pärast on kombineeritud ärimudelid täiesti võimalikud. See tähendab, et ettevõtet juhib osaliselt tehisintellekt ja osaliselt inimesed. Inimesed tõlgendavad andmeid ja teevad lõplikud otsused ‒ kas tasub aga automatiseerida ka see viimane tööetapp? Dumas väidab, et tehisintellekt ei asenda andmeteadlasi, vaid muudab nende töö tõhusamaks. Selle asemel, et kulutada palju aega andmete ettevalmistamisele, valideerimisele ja analüüsimisele, on andmeteadlas-

Näide: täiustusvõimalused Esmaspäeviti ja teisipäeviti määra tööle üks klienditeenindaja rohkem, reedeti üks ametnik vähem

Klienditeenindaja

Saabub krediidiavaldus

edasi

Avalduse hindamine Sissetulekuallikate kontroll

Ametnik

heakskiidetud

Krediidiajaloo kontroll

välju

tagasilükatud

Jäta krediidiajaloo kontroll vahele, kui klient on varem pangast laenu võtnud

Klienditeenindaja

Tarbimislaenude korral kontrolli krediidiajalugu enne sissetulekuallikaid

Eesti IT Tippkeskus EXCITE

Kui laenu ja aastasissetuleku suhe on üle 1,5, määra asjaga tegelema vanemametnik

Seda ülesannet saab automatiseerida RPA-skriptiga

Ametnik Krediidipakkumus Klienditeenindaja Tagasilükkamisest teatamine Ametnik

Tagasiside kliendilt

Krediidiavaldus on töödeldud välju

taotleti otsuse läbivaatamist

Kui krediidihinnang on C või D, ära jää vaidlustamist ootama

61


ETTEVÕTETE TULEVIK

tel rohkem aega andmetes leiduvate mustrite tõlgendamiseks. Dumas’ sõnul pole põhjust paanitseda selle pärast, et tehisintellekt võtab meie töö üle. „Töökohtade olemus muutub kindlasti, olen optimistlik ‒ korduv osa eemaldatakse. Andmeteadlastele meeldib tõlgendada tulemusi ja kasutada andmeid otsuste tegemiseks, selle asemel et raisata palju aega teadasaamiseks, kuidas andmeid asjakohaste mustrite leid-

miseks nn ümber pöörata,” kirjeldab Dumas. Ta lisab, et igal suuremal ettevõttel on klienditeeninduse juht. Tänapäeval kulub suur osa selle inimese tööst väljaselgitamiseks, mis täpselt valesti läks, selle asemel et kliendiga otse rääkida. „Kahju, et nad ei tee seda.” Tulevikus aitab tehisintellekt klienditeeninduse juhil rohkem kliendile keskenduda. Lõppkokkuvõttes loovad ettevõtted klienditeenindusega väärtust ja vaid ini-

mesed suudavad mõista, mida klient soovib või vajab. Kindlasti on sellest kasu ka lõppkasutajale. Ilmselt on kõik olnud pettunud mõnes e-poes, mille loogikast ei olnud võimalik aru saada, olgu põhjus siis kujundus või koduleht. Lõpuks lahkud pärast mõningast stressi ostu tegemata. Tehisintellektipõhised ettevõtted suudavad tuvastada, et sul oli probleeme, ja see lahendatakse päevade, mitte kuudega.

Suhtlus

Infosüsteemid

Töötajad Salvestamine

Tuvastamine

Kasutajaliidese logi

62

Kompileerimine

Korduvad ülesanded

Tööprotsesside automatiseerimine (RPA)

Eesti IT Tippkeskus EXCITE


„Järgmise kümne aasta jooksul paraneb kliendikogemus tähelepanuväärselt,” lubab Dumas, „nagu transport paranes 20. sajandil tohutult. 21. sajandi suureks võitjaks saab kliendikogemus.”

Ei mingeid suuri servereid ega superarvuteid Dumasʼ meeskond töötab välja väikest masinat, mille üks osa leiab andmeid. See teab, milliseid andmeid on võimalik leida ja kuidas neid saada. See on väga keeruline, sest tavaliselt on arvutis tohutult palju e-kirju, dokumente ja muud teavet, millest tuleb enne analüüsimist eemaldada privaatsed andmed. Väljatöötamisel on ka analüüsikomponent, mis muundab arvud millekski, mida on kerge mõista. See ei juhtu aga homme ega järgmisel aastal, Dumas pakub vähemalt kümme aastat. Mida see kõik tähendab ettevõtte omaniku või riigiametniku jaoks? Kuna kogu teave kandub tänapäeval üha enam pilve, pakutakse tulevikus aina rohkem pilveteenuseid ning need liidetakse tehisintellektiga, et aidata ettevõtteomanikel ja juhtidel andmete põhjal tõhusalt otsuseid teha. „Juhina ostad oma infosüsteemi jaoks tehisintellektiga lisandmoodulid, mis aitavad äriprotsesse parandada. Seadistad lihtsalt lisandmooduli, see kogub ohutult õigeid andmeid ja tuvastab automatiseerimise võimalused, probleemid, millega kliendid sinu teenuste kasutamisel silmitsi seisavad, ning asjad, mis kliente õnnetuks teevad. Seda loetelu võib jätkata,” selgitab Dumas. Ta tunnistab, et tema meeskond on alles uurimistöö alguses. „Ehitame mänguasju,” ütleb ta, meenutades hobuste ja vankrite allegooriat. „Oleme 19. sajandi teises pooles, mõtleme mootorile ja valmistame prototüüpi. Tänapäeval on arengutsükkel aga palju kiirem ‒ tehisintellektiga ärimasinad, mis on valmis kasutamiseks, võivad turule tulla juba 2030. aastal. Suundume üleminekuperioodi poole,” sõnab Dumas. Tema meeskond pole loomulikult ainus teadlasterühm, kes selle teemaga tegeleb. Sama probleemi kallal töötavad näiteks suured ettevõtted, nagu Microsoft, IBM, Amazon, ning ka paljud idufirmad, mõnel neist on kontor Eestiski. Dumas usub, et kui rääkida globaalsest innovatsioonist, polegi vaja üksi tegutseda. On isegi positiivne, et on palju konkurente, kes püüdlevad sama eesmärgi poole. „Eesti on suurepärane testimiskeskus, kus teie e-valitsus lisab palju väärtust. Siin on palju alustavaid ettevõtteid, nagu Bolt ja Wise, samuti on kaasatud ülikoolid. Selles valdkonnas on vaja palju testida. 20 ideest 19 võib lennata otse prügikasti. Eesti on väike ja hindab innovatsiooni väga,” kiidab Dumas. Eesti IT Tippkeskus EXCITE

MIDA TOOB TULEVIK ISALE JA TÜTRELE? Isa Toomas (30) ja tütar Emma (5) Toomas ja tema tütar Emma tahaksid teada, kas ettevõtet saab juhtida ainult tehisintellekt. See võibki olla nii lihtne, et ostate pilvest tehisintellekti koos pilkupüüdva logo ja kõige kaasatulevaga, vajutate stardinuppu ja jälgite, kuidas ettevõtte tulud kasvavad. Te ei peaks ise midagi tegema. Dumas toob näiteks e-kaubanduse ettevõtte, mis müüb elektroonikaseadmeid. Nüüd pakutakse mulle võimalust lasta tehisintellektil oma äri ajada. See hoolitseb veebisaidi eest, tellib tooteid, saadab meediale reklaame, korraldab isegi allahindluseid. Ka ladu on täielikult automatiseeritud. Niisiis, kas Toomas või Emma saavad seda tulevikus teha? Dumas ei pane sellele palju lootust. „Teil on vaja inimesi tegelema eranditega, vajaduse korral muudatusi sisse viima, näiteks kui klient soovib midagi uut või teistsugust. Tehisintellekt võib väga hästi korrata, mida ta on juba näinud ja õppinud, kuid ta pole veel võimeline kohanema ja reageerima millelegi, mida ta pole varem näinud. See ilus tehisintellekt hakkab koost lagunema, kui juhtuvad erandid, kui kliendid soovivad midagi uut,” räägib Dumas. Näiteks pole üks klient ikka veel kuu aega tagasi tellitud toodet kätte saanud ja tehisintellekt ei saa aru, miks. Klient pöördub kohtusse ja võidab. Selliseid erandeid võib olla sadu. Siis on vaja inimmõistust, üht olulist inimesele omast tunnust ‒ empaatiavõimet. Mõni olukord lahendatakse vaid kahe inimese vahel, kes teineteist mõistavad. Kliendid on inimesed ja peate suutma kohaneda nende murede ja küsimustega. „Ja ma pole isegi maininud tervet mõistust. Me ei tohiks oma tarnepartnerit iga päev vahetada vaid mõne vea tõttu. Peame välja töötama hoopis viisid probleemide lahendamiseks, piisavate vastuste andmiseks ja kõige olulisemate otsuste langetamiseks,” selgitab Dumas. Isegi kui külmkapp ostab suurema osa meie toidukaupadest ja auto tellib uued rehvid, kui saab aru, et praegused on liiga kulunud, on alati olemas inimfaktor, millega tehisintellekt lihtsalt ei saa hakkama, ning see on kõige ilmsem uute olukordade puhul. Emma ei pea aga muretsema ‒ tema intelligentsust ja loovust on tulevikus väga vaja. Dumas soovitab Emmal jätkata loovuse, suhtlemisoskuse ja empaatiavõime, aga ka analüüsioskuse ja kriitilise mõtlemise arendamist, et mõista, kuidas tehisintellekt töötab ja kuidas seda aina paremini ära kasutada.

63


Ülle Kotta: N teadlane otsib parimat lahendust, tööstus töötavat lahendust Juhtimisvaldkonna juhtivteadur Ülle Kotta on omal alal tegutsenud aastakümneid. Talle teeb muret, et juhtimisteooriat kiputakse alatähtsustama, kuid ta püsib lootusrikas, et olukord muutub. Uued ja ülikeerulised süsteemid vajaksid teoreetikute abi väga. 64

agu ütleb Kotta, kasutatakse juhtimisteooria tulemusi, muu hulgas juhtimisalgoritme, praktiliselt kõigis valdkondades – majandusest meditsiinini. Üha enam sõltub süsteemi töökindlus just kontrolleri korrasolekust. „Kontrolleriteta tänapäeva tehnoloogia ei toimiks,” selgitab ta. Juhtimisinsenerid ei valmista seejuures asju, vaid teevad olemasolevaid paremaks ja nende tegevust efektiivsemaks. Protsesside järkjärguline parandamine juhtimisalgoritmide kujul ei too aga reeglina kaasa dramaatilisi muutusi. Kus me kontrollereid kohtame? Lihtsate kontrolleritega oleme kõik kokku puutunud – näiteks termostaadiga soojaveeboileris või külmkapis, samamoodi liikumisanduritega. Ka inimkehas on kümneid juhtimissüsteeme, mis reguleerivad vereringet, kehatemperatuuri, biokeemilisi protsesse jms. Keerulisematest juhtimissüsteemiEesti IT Tippkeskus EXCITE


JUHTIMISTEOORIA JA SELLE RAKENDUSED

Juhtimisvaldkond ei ole nähtav Juhtimismoodul ehk kontroller peaks niisiis olema iga töötava süsteemi loomulik osa. Süsteemiinsenerid mõistavad sügavuti dünaamikat – kuidas miski ajas muutub, levib, liigub. „Keeruliseks teeb olukorra see, et suurem osa inimesi ei taju kontrolleri olemasolu. Ta on peidus. Juhtimisvaldkond ei ole seega nähtav. Kontroller muutub nähtavaks, kui ta lakkab töötamast,” kirjeldab Kotta oma valdkonna olukorda. Tema töörühm tegeleb fundamentaalsete juhtimisprobleemidega, teooriaga. Tööstusega neil otsekontakt puudub, ehkki ideaalis võiks see olemas olla. Siin lööb aga välja Eesti ja meie tööstussektori väiksus. Samas meenub Kottale aeg, mil ka

Autonoomse allveesõiduki sündmuspõhise juhtimise skeem Lamedusel põhinev kontroller

u4

u3

Sensorid

Autonoomne allveesõiduk

Soovitud trajektoor

Sidevõrk

siinmail leidis suuremate ettevõtete juurest teadus- ja arendustiime, kes omakorda majaväliste teadlastega samas keeles suhelda oskasid. „Häda on selles, et kogu tähelepanu on koondunud teadmiste tehnoloogiasse viimise lõpplülile, teadlastelt oodatakse töötavat prototüüpi. Arendustegevuse varasemad etapid ei paku rahastajatele huvi. Sellise lähenemise mõjud on pikaajalised,” hoiatab Kotta. Ta ütleb, et tööstustel ja akadeemilisel teadusel on raske koostööd teha, sest huvid ja eesmärgid on erinevad. „Teadlane otsib parimat lahendust, tööstus enam-vähem toimivat. Mul on olnud järeldoktoreid, kes on läinud tööstusesse ja tulnud sealt tagasi. Kui nad soovisid tööstuses midagi parandada, siis öeldi, et ära raiska sellele aega, meile piisab. Teadlane ei rahuldu enamvähem toimivaga,” toob Kotta välja.

Tagareas vasakult Arvo Kaldmäe, Juri Belikov ja Vadim Kaparin. Eesreas (hoiavad robotkala) Ülle Kotta ja Christian Meurer.

Eesti IT Tippkeskus EXCITE

u2 U-CAT

u1 U-CAT

dest rääkides võib nimetada automaatpiloote ja isejuhtivaid autosid, suuri elektrisüsteeme, transporti, roboteid. „On ammu teada, et protsessid ja süsteemid oleksid hõlpsamalt ja väiksema energiakuluga juhitavad, kui juhtimisinsenerid osaleksid tehnoloogiliste protsesside või instrumentide väljatöötamisel. Nad oskaksid öelda, kuhu paigutada kontrollereid ja andureid, kui palju neid vaja oleks, kuidas tuleks süsteemi ümber seadistada, kui mõnes elemendis ilmneksid vead või element lakkaks töötamast. Kuidas konstrueerida heade juhitavusomadustega objektid ja nii oluliselt ressursse kokku hoida,” selgitab Kotta enda distsipliini olulisust.

Sündmuste generaator

Koostöö robootikutega EXCITE raames on Ülle Kottal ja tema noortel kolleegidel Arvo Kaldmäel, Vadim Kaparinil ning järeldoktor Ashutosh Simhal koostöö kahe rühmaga. Juhtimisvaldkond ongi selline, mis peab leidma koostöövõimalusi teistega. Maarja Kruusmaa biorobootika rühmaga keskendutakse ühiselt bioloogiast inspireeritud allveerobotite mobiilsusprobleemidele. Sellised robotkalad on ohutumad ja potentsiaalselt ka keskkonda vähem mõjutavad. Ent mainitud eelistega kaasneb keerulisem juhtimisloogika, mille väljatöötamisega tegeleti. Uuriti asümmeetrilise liikumise rolli eesmärgiga parandada taoliste robotite manööverdusvõimet. See projekt on jõudnud nii kaugele, et tehiskala orientatsiooni juhtimist on testitud päris järves. Asümmeetria printsiip leidis kasutamist ka roboti loibade uudsel lihtsal konstruktsioonil, mille tulemuseks on suurem efektiivsus jõu genereerimisel. Kolmas projekt koos robootikutega uurib sündmuspõhise juhtimise kasutamist odavatel väikestel allveesõidukitel, mis võimaldab vähendada suhtlust andurite, juhtimismooduli ja täiturite vahel. Et poleks sellist infovahetust, mida parasjagu vaja pole. Infovahetus toimub vaid siis, kui midagi olulist süsteemis muutub. Suhtluse vähenedes on sidekanalite koormus väiksem ja hoitakse ka kokku süsteemi poolt kulutatavat energiat, mis on oluline, kui robot töötab näi-

65


JUHTIMISTEOORIA JA SELLE RAKENDUSED

teks akutoitel. Sündmuspõhisel juhtimisel kasutatakse allveerobotite lameduse omadust. See imeline omadus võimaldab kirjeldada süsteemi käitumist üheainsa muutuja, lameda väljundi kaudu. Teine koostöö on Kotta rühmal olnud Alvo Aabloo meeskonnaga. Uuritaval teemal on keeruline nimi – ioonjuhitavad elektroaktiivsed polümeertäiturid. Kotta selgitab, et täitur on seade, mille kaudu juhtimist tehakse. Selliste täiturite juhtimismeetodite teemal publitseeriti ka valdkonna esimene ülevaateartikkel.

Materjalid, mis esitavad suure väljakutse Ioonjuhitavad elektroaktiivsed täiturid on valmistatud huvitavatest ja moodsatest materjalidest. Seal tekib palju uudseid raskusi. Kui meie kasutada on rauatükk, siis see on teada-tuntud materjalist. Nutikad ioonjuhtivad kohvimasinad käituvad aga omamoodi. „Kui kohvimasinad tulevad liinilt, siis need on kõik ühesugused. Uuritud täituritel on aga dünaamiline varieeruvus. Iga eksemplar on mõnevõrra erinev,” kirjeldab Kotta ja lisab, et tillukeste täiturite puhul ei saa reaalelulistes rakendustes kasutada ka andureid. See tähendab, et jooksvalt ei saa mõõtmistulemusi kätte. „Viimased on aga juhtimise hapnik. Tagasiside on juhtimise põhimehhanism, mis võrdleb

66

Protsessid ja süsteemid oleksid hõlpsamalt ja väiksema energiakuluga juhitavad, kui juhtimisinsenerid osaleksid tehnoloogiliste protsesside või instrumentide väljatöötamisel. prognoositud trajektoori, seisundit, taset või asendit tegelikuga. Kui andurit ei ole võimalik külge panna, siis ei ole võimalik mõõta süsteemi olekuid. See viib juhtimise ebatäpsuseni,” räägib Ülle Kotta. Ka keerulisi mudeleid ei ole võimalik reaalajas kasutada, sest kontroller läheb siis keeruliseks. See on tema sõnul tohutu juhtimisprobleemide pundar, mis antud valdkonnas vastu vaatab. Neile probleemidele puuduvad praegu lahendused. Kui soovitakse perioodilist liikumist, korduvat tegevust, siis saab lihtsaid kontrollereid kasutada. Kui aga tuleb hoida fikseeritud asendit või energiataset, siis ei piisa lihtsast kontrollerist.

„Juhtimise seisukohast on valdkond põnev, aga embrüonaalses seisundis,” tõdeb ta.

Taastuvenergiaallikate mõju Ülle Kotta räägib ka oma töörühma täiesti uuest teemast, millega tegeletakse koostöös Iisraeli tippülikooliga. See on äärmiselt uudne temaatika, mida veab tenuuriprofessor Juri Belikov. Kotta selgitab esmalt, et elektrivõrgud toimivad tänapäeval aegunud printsiipidel. Neil, mis on juba ligi sada aastat tagasi paika pandud. Samal ajal hakatakse aga üha enam kasutusele võtma taastuvenergiaallikaid. Sellega kaasnevad olulised probleemid. „Taastuvenergiaallikad toodavad energiat suure muutlikkusega – vahel on tuult, vahel on päikest, vahel ei ole. Tohutult on määramatust. Esimene probleem on aga see, kui palju taastuvenergiaallikaid on üldse võimalik integreerida praegustesse võrkudesse, et need töötaksid ja ei hakkaks aset leidma vigu, toimuma katkestusi,” mõtiskleb Kotta. Ei ole nii, et lisad aga muudkui energiat võrku ja midagi ei juhtu. Järgmine samm võiks olla töötada välja uus infrastruktuur, mis arvestab taastuvenergia suurt osakaalu. Sinna tuleb kaasata ka salvestustehnoloogiad. Viimased tulevad mängu, kui koormus on suurem ja taastuvenergiat ei suudeta hetkel piisavalt toota. Kolmas asjaolu seisneb selles, et energia hind on ajas muutuv. Viimase kaudu saab koormust omakorda tasandada. Kasutada mingites kohtades energiat siis, kui see on odavam. „Uues paradigmas on palju määramatust, mida tuleks arvestada. Refereerin nüüd kolleegi – energeetikud on väga inertne seltskond. Nad ei ole uuele eriti avatud,” kirjeldab Kotta, et energeetikas on tegemist ikkagi n-ö vana tööstusega, mis ei võta uut lihtsalt omaks. Teine teema on siin raha, sest uued lahendused nõuavad palju ressurssi. Siin tuleb taas mängu see, et juhtimisteooria kasulikkust ei tajuta. Ka insenerid ei tunneta seda. Süsteemid ja seadmed ju kuidagi toimivad, need ei vaja justkui kaasajastamist. OllakEesti IT Tippkeskus EXCITE


Töörühma seminar.

se rahul olemasolevaga, ehkki saaks palju paremini.

Teineteisest arusaamine ja rahastamine Ettevõtetesisesed uurimistiimid kadusid just siis, kui firmad hakkasid optimeerima kulusid. Loodeti, et tarka teadmist saab ülikoolidelt odavamalt osta. „Suurtes ettevõtetes peaksid olema uurimiskeskused, mis toimiksid vahelülina ülikoolide ja tööstuse vahel. Nendeta jäävad ettevõtlus ja teadus kaugeks ning teineteise jaoks arusaamatuks. See ei ole ainult Eesti probleem. Sama mure on Hispaanias, Itaalias, Prantsusmaal ja teistes meist suuremates riikides.” Ülle Kotta lisab, et praegu ei anta Euroopast rahastust ülduuringuteks, mis on aga väga olulised. Eriti kui arvestada, et Euroopas on sihikul uued olulised suunad, nagu rohepööre, energeetika, meditsiin ja transpordisüsteemid. Ühe konkreetse firma jaoks töötamine ei anna tema sõnul palju ühiskonna hüvanguks, küll aga teeksid seda laiapõhjalised uuringud. „50 aastat tagasi panustasid teadlased rohkem ühiskonna kui terviku huvidele. Praegu on rakendus ettevõttekeskne. Miks nii? Teadlane ei pidanud siis rabama, et leida raha. Ülikoolis oli palk garanteeriEesti IT Tippkeskus EXCITE

tud. Enam see alati nii ei ole. Teadlased peavad rahastust hankima ja ei saa mõelda üldistele probleemidele, nagu rohepööre, kliimaneutraalsus ja transpordisüsteemid,” toob ta välja. Tegelikult peaksid nende teemadega tegelema suured rühmad üle Euroopa. Kliimaneutraalsuse on enda üheks sihiks võtnud ka Tallinna Tehnikaülikool. Kotta arutleb, et ehk hakkab raha fundamentaaluuringutesse tulema siis ülikooli enda kaudu. Teine äärmus on tema sõnul Prantsusmaa, kus teadlastele on ülikoolides töö garanteeritud. Sa pead ikka millegi väga halvaga hakkama saama, et sind vallandataks. Sa ei pea publitseerima ka eriti suures mahus teadustöid. „Teooria on seal samas väga heal tasemel. Mõnes mõttes ka Itaalias. Meie valdkonna fundamentaalteadus siis. Hea rakendusteaduse leiab aga Saksamaalt, Hollandist ja Rootsist. Soomes on palju juhtimisalaseid rakendusi puidu- ja keemia-

Teadlane otsib parimat lahendust, tööstus enam-vähem toimivat. Teadlane ei rahuldu enam-vähem toimivaga.

tööstuses. Eestis sellised suured tööstused puuduvad,” tõdeb Kotta.

Muutused juhtimisvaldkonnas endas Ülle Kotta räägib ka muutustest valdkonnas endas. Alates algusaegadest kuni viimase ajani olid juhtimisobjektide mudelid suures osas teada ja läbi uuritud. Olid täpsed mudelid. Kui juhtimisalgoritm välja töötati, oli see täpne, töökindel ja põhjendatud. Ootamatusi ette ei tulnud. Nüüd on aga rakendusvaldkondade arv plahvatuslikult kasvanud. Enamikus neis puuduvad igasugused mudelid. Seda, mida tahetakse juhtida, ei tunta. Kasutatakse heuristilisi meetodeid. Neid on hakatud käsitlema suurandmete abil. „Siin on omad probleemid. Kui andmed muutuvad, siis ka kontroller peab muutuma. Kui töötame kontrolleri välja, rakendame ja olud muutuvad, siis see ei toimi. Ei ole tõestatud ja turvalist tulemust.” Kotta selgitab, et tehakse vahet kolmel mudelitüübil. N-ö valge kast tähendab seda, et on teadmine, et kui teeme nii, siis juhtub see. Siis on musta kasti mudel, kus juhttoime läheb sisse, juhitav suurus tuleb teiselt poolt välja – samas ei tea me vahepealsest midagi. Viimaks on ka halli kasti mudelid, kus kasti sees toimuvast on üht-teist teada. „Praegu kasutatakse suurandme-

67


tepõhist juhtimist tihti ikkagi heuristiliselt. Puudub struktuurne lähenemine. Ei ole põhjalikult läbi uuritud, et tulemus jääks töökindel. Tänapäeva süsteemid lähevad aina keerulisemaks. Hierarhiaid on palju. Osatakse eri tasanditele kontrollereid ja juhtimisalgoritme teha, aga paljudel juhtudel ei ole need ühendatud. Andmed ei liigu abstraktsete valemite tasandile ja sealt programmide tasandile. Oleks tore, kui saaks integreeritud erinevate tasandite juhtimine. Sellest ollakse praegu suhteliselt kaugel,” tõdeb Kotta.

Juhtimisteadmise toomine poliitikasse Ülle Kotta ütleb, et keeruliste süsteemide juhtimise põhitõed võiksid poliitikutel teada olla. Ühiskond on ikkagi komplekssüsteem. Seal on palju sellistele süsteemidele olemuslikult omast määramatust, mida andmekogumisega leevendada ei anna. Keerukas süsteem on aga ka haavatav. Juhtimisteooria järgi on kõige rumalam tegu optimeerimine ühe eesmärgi suhtes. See tähendab, et kui olukord muutub, siis süsteem või selle osa enam ei toimi. Päästa võiks mitmekesisuse arendamine, mitte lamedaks ja ühesuguseks tegemine. Süsteemi mitmekesisus muudab süsteemi robustsemaks, st aitab paremini keskkonna muutustega toime tulla. Igal elemendil on oma nõrkus ja väiksem mitmekesisus tähendab suuremat haavatavust. Robustsus saavutatakse aga süsteemi tõhususe arvelt. „Teoreetiku vaatepunktist on tõhusaks muutmine hukatuslik. Teine aspekt on see, et juhtimises on kahte tüüpi tagasisidet – positiivne ja negatiivne. Viimane on hea, sest vähendab viga soovitu ja tegeliku vahel. Positiivne tagasiside võimendab viga. Praegu on ühiskonnas palju protsesse, kus toimub positiivne tagasiside. Ei osata lõhkuda positiivse tagasiside ahelaid. Ma räägin näiteks pangamullidest ja aktsiarallidest,” toob ta välja.

Juhtimine ja isejuhtivad sõidukid

Tänapäeval räägitakse üha enam isejuhtivatest sõidukitest. Ülle Kotta räägib, et juhtimisteooriat rakendatakse seal madalamal tasandil. Auto liigub mööda vajalikku trajektoori, ette tuleb takistus ja ta möödub sellest – see on klassikaline juhtimisteooria praktiline väljund. Teine koht, kus teooria saab appi tulla, on mõõteandmetest süsteemi olekute prognoosimine. Seal käib kogu aeg täpsustamine. Nii saab tulevikku prognoosida. „Kus auto on mõne sekundi pärast?” toob Kotta näite ja lisab, et tõelised probleemid selles valdkonnas on seotud muuga. Ta on käinud seminaridel, kus isejuhtivate sõidukitega otseselt seotud inimesed on rääkinud, et praegused autod ei suuda liiklusmärke lugeda ja inimesi vihma korral märgata. „Need toimivad ainult ilusa ilmaga,” toob ta välja.

68

MIDA TOOB TULEVIK ISALE JA TÜTRELE? Isa Toomas (30) ja tütar Emma (5) Ülle Kotta ütleb, et kui juhtimisinsenere kaasataks juba protsesside ja instrumentide projekteerimise ning väljatöötamise algfaasis, siis oleks võimalik luua väga heade juhtimisomadustega süsteeme, mis kasutaksid samal ajal väga vähe ressursse. Ta loodab, et Toomas näeb, kuidas selline lähenemine saab 2050. aastaks valdavaks. Samuti loodab Kotta, et 2050. aastaks on matemaatiline juhtimisteooria tihedalt läbi põimunud andmepõhiste masinõppemeetoditega. Ta näeb ka, et tänapäeva tehnoloogia vajab üldiselt heakskiidetud formalismi, mis integreeriks erinevate hierarhiliste tasandite mudelid/juhtimisalgoritmid tervikuks nii, et juhtimistasandid (üldisem ja detailsem) suhtleksid omavahel ning toimiksid kooskõlas. Lähiminevikus on olnud ja praegugi on oluline veakindel juhtimine. Kuigi see on jätkuvalt oluline ka tulevikus, siis 2050. aastal on olulisem küberturve. Kui nüüd tööstus 4.0 raames automatiseeritakse enamiku tööstusprotsesside toimimine, siis on vaja ka tagada selle turvalisus. Kuigi veakindel juhtimine on mingil määral küberturvalisusega seotud, ei ole see tegelikult selleks mõeldud. Veakindel juhtimine ei hoia vigu ära, vaid leevendab nende tagajärgi. Samas on küberturvalisuse eesmärk just tuvastada ja hoida ära pahatahtlikke rünnakuid. „Seega, kui Toomas istub 2050. aastal isejuhtivasse autosse, siis ta soovib olla kindel, et auto juhtimissüsteem suudab tuvastada ja hoida ära olukordi, kus keegi üritab muuta või mõjutada juhtimisalgoritmi toimimist.” Emma võiks aga teada, et eksootiliste energiaallikate hiljutised uuringud lubavad fantaseerida, et saja aasta pärast on odava ja puhta energia probleem lõplikult lahendatud – olgu see siis taastuv või mõni muu energia (nt külm tuumasüntees). „Kui oletus on õige, annab see paljudes valdkondades kvalitatiivselt uue arenguringi koos täiesti uute juhtimisprobleemidega,” räägib Kotta. Ta loodab, et saja aasta pärast osatase käsitleda komplekssüsteeme. Keeruliste süsteemide modelleerimine, analüüs ja juhtimine nõuab uut tüüpi mudeleid ja intuitsiooni. Selliseid süsteeme ei saa uurida ositi, vaid kui tervikut. „Hetkel puuduvad kvantitatiivsed analüüsi ja sünteesi meetodid ning täpsed matemaatilised mudelid selliste süsteemide uurimiseks. Traditsioonilistes mudelites eristatakse oluline ebaolulisest, keerulistes süsteemides on see võimatu,” selgitab Kotta. Keerukad süsteemid vajavad nn evolutsioonilisi ehk muutuva struktuuriga mudeleid. Ülle Kotta teeb Emma jaoks asja põnevamaks. Ta mainib, et saja aasta pärast toimuvad kosmosereisid, käib kosmose koloniseerimine ja meie seas liiguvad küborgid. Eesti IT Tippkeskus EXCITE


TARKVARAARENDUS – TEOREEMITÕESTAJAD

Tarkvara kontrollib tarkvara

Niccolò Veltri:

teoreemitõestajaid hakatakse kasutama ka koolides Tallinna Tehnikaülikooli tarkvarateaduse instituudi teadur Niccolò Veltri töötab EXCITE projekti raames teoreemitõestajatega. Täpsemalt töötab Veltri välja programme, mis aitaksid olemasolevaid analüüsida, kontrollida ja parendada. Paljuski on teaduri töö veel teoreetiline, kuigi osaliselt on see tarkvaraarenduses juba rakendust leidnud.

„M

oodsad ühiskonnad naalduvad paljude fundamentaalsete ülesannete täitmiseks aina enam väga tugevalt erinevatele masinatele,” ütleb Firenze Ülikoolis matemaatikat õppinud ja Kopenhaageni IT-ülikoolis järeldoktorantuuris teemat uurinud Veltri. „Kuna me masinaid väga usaldame, siis eeldame alati, et need töötavad korrektselt. Rikked neis süsteemides ja masinates võivad tuua kaasa nii märkimisEesti IT Tippkeskus EXCITE

väärseid rahalisi kaotusi kui suuremaid probleeme kogu ühiskonnale. Näiteks võivad sattuda rünnaku alla meile olulised turvasüsteemid, lekkida võib delikaatne või isiklik informatsioon, tehniliste vigadega või valesti programmeeritud liiklusvahendid võivad sattuda avalikkuse kätte.” Teadur lisab, et enamiku kasulike masinate juhtimiseks on arendatud vastav arvutitarkvara, et tagada täpne ja probleemivaba töötamine. „Sellest tulenevalt on tähtis kogu maailmas olevat riist- ja tarkvara pidevalt ning süsteemselt formaal-

meetodite põhjal tõendada,” ütleb ta. „Selline tõendamine tagab nende süsteemide usaldusväärse toimimise ja aina enam tarkvaraarendajaid on võtnud suuna luua iseend kontrolliv tarkvara.” Ta lisab, et ka Eesti IT-ettevõtted on näinud suure kindlusega tarkvara vajalikkust ning asunud selle nimel arendusi tegema. „See tähendab aina suuremaid rahalisi investeeringuid nendesse osakondadesse ja töögruppidesse, mis kasutavad analüüsimiseks, sertifitseerimiseks ja kontrollimiseks formaalmeetodeid, kaasa arvatud tarkvara, mis on loodud analüüsima teisi loodavaid programme,” selgitab Veltri.

Arenev tarkvara programmide analüüsiks Veltri uurimustöö EXCITE projekti raames ringleb selle ümber, et arendada välja meetodid arvutisüsteemide formaalseks tõendamiseks, kasu-

69


tades selleks peamiselt erinevaid loogilisi ja matemaatilisi tehnikaid. „Minu töövahendid on interaktiivsed teoreemitõestajad,” selgitab ta. „Need on väga väljendusrikkad programmeerimiskeeled, mida saab kasutada paljude arvutiteaduses sageli kasutatavate matemaatiliste struktuuride lahtikodeerimises. Nende abil püüavad selle valdkonna teadlased luua arvutisüsteemide tarbeks konkreetseid matemaatilisi mudeleid, millega saaks omakorda simuleerida ja ennustada nende arvutisüsteemide käitumist. Tulemuseks on mudelid, mis on sertifitseeritud, kuna nende korrektsuse ja töökindluse on tõestanud masinad ise. See omakorda tagab lõppkasutajale kindluse, et süsteem toimib korrektselt ja on usaldusväärne. Veltri lisab, et idee teisi programme kontrollivate programmide, tõestajate või keelte arendamisest ei ole uus, kuid kuna aina suurem osa meie elust kolib arvutites-

70

Tõendamine tagab süsteemide usaldusväärse toimimise ja aina enam tarkvaraarendajaid on võtnud suuna luua iseend kontrolliv tarkvara. se, siis on hiljuti kasvanud vajadus nende järele täielikult uude kõrgusse. Teadur lisab, et kuna arvutisüsteemid lähevad pidevalt keerulisemaks ja laiahaardelisemaks, siis ei ole inimestel võimalik enam ise kõiki süsteeme ja koodiridu kontrollida, kuna see on äärmiselt kulukas. Küll aga saab rakendada masinaid kasuliku töövahendina nende keeruliste

süsteemide ja programmide õigsuse tõendamiseks. Veltri lisab, et formaalse tõendamise tarkvara hakati arendama juba 1960ndate lõpus, kuid toona oli tegemist pigem vaid akadeemilise ülesandega. Tõsisemalt tõusis teoreemitõestajate vajadus fookusesse 1990. aastatel, kui arvutid muutusid võimsamaks, laienesid kõikidesse eluvaldkondadesse ja ettevõtted hakkasid saama rahalist kahju, kuna ei olnud võimelised nägema ette võimalikke probleeme. Sellised probleemid võivad esineda näiteks uute programmeerimiskeelte toimimisega uutel arvutitel, kui need peaksid mõne aasta jooksul mitu korda võimsamaks muutuma, või vastupidi tarkvara puhul, kui uued kirjutatud programmid nõuavad protsessorilt järjest enam võimsust. „Näitena võib tuua juhtumi ühest maailma suurimast arvutikiipide tootjast Intel, mis valmistas miEesti IT Tippkeskus EXCITE


TARKVARAARENDUS – TEOREEMITÕESTAJAD

Teoreemitõestajate kasusaajad on eelkõige isesõitvad autod ja lennundus, aga ka kindlustus, pangandus ja meditsiin. vad sisestada matemaatilisi võrrandeid ja tõestada teoreeme, mille tõesust hindab tõestaja. Kasutajad saavad paluda süsteemil tõestada neile ka mõnd tulemust ning tõestaja saab sageli selle tööga edukalt hakkama. Teine, praktilisem suund, millega teadur tegeleb, on samade teoreemitõestajate kasutamine olemasolevate programmeerimiskeelte formaalseks tõestamiseks ja uute keelte arendamiseks. See ülesanne tagab programmide õigsuse nende kavandatud käitumist kirjeldavate spetsifikatsioonide suhtes. See omakorda võimaldab arvutisüsteeme ennetavalt täiustada ja uuendada, tagades nende sujuva toimimise, mis on tänapäeva digi-

taalses kliimas paljude igapäevaelu oluliste tegevuste jaoks ülioluline. „Seda on keeruline selgitada, kuid suund on muuta tarkvaraarendus lihtsamaks, kontrollitavamaks ja sellega ka paremaks,” ütleb Veltri. „Praegu loome veel teoreetilisi lahendusi, kuid oleme natukene asja ka praktikasse viinud. Küll hetkel väga väiksel tasemel, kuid esimesed tulemused on paljulubavad.”

Milline valdkond võidaks enim? Pikas perspektiivis võiks teoreemitõestajaid kasutada kõik arendajad iga programmi analüüsis. Hetkel võib aga näha, et suurimat huvi nende formaalmeetodite vastu näitavad üles kõige kriitilisemat täpsust vajavad valdkonnad, kuid ka need, kus on mängus palju raha. Veltri toob teoreemi tõestajate kasutamisest kasusaajatena esile isesõitvad autod ja lennunduse, aga ka kindlustuse, panganduse ja meditsiini. „Võtame näiteks isesõitva auto. Ühest küljest on selle tööks vaja äärmiselt suurt infomahtu ning samas ülimalt täpset ning alati korrektselt toimivat riist- ja tarkvarasüsteemi,” selgitab Veltri. „Isesõitva auto tark-

tukümmend tuhat uut protsessorit, millelt avastati aga alles hiljem tootmise järel märkimisväärne viga. Viga oli tekkinud seetõttu, et kiibi tootmisel ei suudetud ette näha kõiki esineda võivaid vigu. Teoreemitõestajad oleksid suutnud sellise vea tänu simulatsioonile enne kiibi turule viimist üles leida ning ettevõte oleks saanud vea kõrvaldada. On võimalik, et tulevikus on need tõestajad nii targad, et suudavad leida ja lahendada sarnaseid probleeme iseseisvalt, kuid hetkel ei oleks see ei rahaliselt ega ajaliselt kasulik, kui vea oleks saanud formaalse tõendamise faasis parandada inimene,” selgitab Veltri. Veltri tööl on kaks suunda: esimene on teoreetiliselt arendada tarkvara formaalseks tõendamiseks uusi teoreemitõestajaid, mis oleks võimelised suhtlema suure hulga programmeerimiskeeltega. Üks viis on mõelda teoreemitõestajatest kui ülinutikatest märkmikest. Kasutajad saaEesti IT Tippkeskus EXCITE

71


TARKVARAARENDUS – TEOREEMITÕESTAJAD

vara õigsust saab hinnata süsteemi miljoneid kordi testides, kuid tõeliselt hinnata saab seda ainult formaalse tõestamise abil. Põhieesmärk inimelude eest vastutavate kriitiliste süsteemide puhul, nagu näiteks isesõitvad sõidukid, on loomulikult tagada õigsus. Teoreemitõestajate idee ongi olla piltlikult „selgeltnägijad”, kes kinnitavad süsteemide õigsust. Neid võib kasutada ka vigade leidmiseks ning sellest lähtuvalt süsteemide endi parandamiseks.” Ka panganduses ja meditsiinis, milles liigub meeletus koguses salajast, krüpteeritud ja piiratud ligipääsulubadega informatsiooni, millest enamik on delikaatsed isikuandmed, peavad süsteemid toimima selliselt, et ühegi viga kasutamisel sisse ei tule. Enamik maailma suuri infolekkeid ongi olnud seotud vääralt ehitatud süsteemidega, mitte häkkerluse või pahatahtlikkusega. „Huvitav on see, et väga paljude ettevõtete juurde tekivad aina kiiremini üksused, mis nende probleemidega tegelevad. On arusaadav, et Eestis on sellised üksused näiteks Skype‘i, Guardtime‘i või Bolti juures, kuid ka pangad ja kindlustusagentuurid ei ole jäänud sellest arengust puutumata. Kõik töötavad selleks, et need firmad saaksid olla 100% kindlad, et nende arendatud või tellitud tarkvara – aga ka riistvara – toimiks nii, nagu toimima peaks. Küsimus on alati lisagarantiides nii organisatsiooni kui ka klientide jaoks,” lisab Veltri.

72

Tulemus on turvalisem digiühiskond Veltri arvab, et 30 aasta pärast on uute kõrge kindlusega tarkvara ja formaalmeetodite põhise tõendamise tulemusel viidud meie digiühiskond täiesti uuele turvalisuse ja töökindluse tasemele. Aga mida võidab sellest kõigest tavainimene? „Just arvutiprogrammide põhine riigile oluliste kriitiliste arvutisüsteemide kontrollimine tänapäevase elu kõige fundamentaalsemates aspektides – e-valimised, pangandus, meditsiin – on see, mis annab inimestele tagasi usalduse tehnoloogia ja teaduse vastu. Usalduse, mis on hetkel pigem ebastabiilne ja kasin. See usaldus aga omakorda viib meid parema elukvaliteedini igas eluvaldkonnas,” lisab ta. Veltri mainib, et tipptasemel tehnoloogia on tarkvara analüüsiks ja kontrollimiseks kasutusel juba paljudes edukates IT-ettevõtetes nii Eestis kui ka mujal maailmas. Järgmiste aastakümnete jooksul on oodata, et see fenomen aina kasvab ja laieneb. Arvata on, et formaalmeetodite abil programmide kontrollimine muutub igas tarkvarafirmas ja arvutisüsteeme loovas riigiasutuses standardprotseduuriks ja põhisuunaks. „Selle tulemusel saavad lisakindluse nii arendajad, nende kliendid, kuid mis peamine, ka lõppkasutajad, et programmid, mis meie elu juhivad ja mida iga päev kasutame, töötavad korrektselt,” selgitab Veltri.

MIDA TOOB TULEVIK ISALE JA TÜTRELE? Toomas (30) ja tütar Emma (5) Utoopilises maailmas peaks kõiki arvutisüsteeme pidevalt analüüsima ja need peaks läbima regulaarselt formaalmeetodite veakontrolle. Veltri arvab, et selleks ajaks on suure kindlusega tarkvara arendamine, käitlemine ja ka kontrollimine delegeeritud enamikus masinatele. „See nõuab loomulikult tohutut hüpet tehisintellekti arengus ja äärmiselt palju arvutusjõudlust,” selgitab ta. „Arvutusjõudlust oleks võimalik saada laiemalt levinud kvantarvutitelt. Kui aga rääkida interaktiivsetest teoreemitõestajatest, siis ei ole need tolleks ajaks muutunud vaid standardseteks töövahenditeks arvutitehnoloogia loomisel. Võib eeldada, et need teoreemitõestajad on muutunud ka üheks põhiliseks vahendiks uute matemaatiliste teadmiste tekkimisel ning seda mitte ainult ülikooli matemaatika ja informaatika õppetoolides, vaid teoreemitõestajaid hakatakse hariduses kasutama juba keskkoolis.” Võib-olla mitte veel Emma keskkooli jõudmise ajal, kuid veidi pärast seda.

Eesti IT Tippkeskus EXCITE


TARKVARA ARENDUS, PROGRAMMEERIMISKEELED

Tarmo Uustalu loob uut arvutikeelt Tallinna Tehnikaülikooli juhtivteadur ja Reykjavíki Ülikooli professor Tarmo Uustalu arendab ja täiustab oma töögrupiga EXCITE projekti all uusi programmeerimiskeeli ning teoreemitõestajaid. Tehnoloogiapessimistina püüab Uustalu luua korda maailmas, mis on muutumas kiiremini kõigest, mida inimkond seni kogenud.

„M

ingis mõttes on infotehnoloogia kummalises seisundis. Olukorras, mida ükski muu valdkond maailmas kuidagi ei aktsepteeriks. Meile ei ole ju kuidagi vastuvõetav, et televiisor või auto end päeva jooksul kaks või kolm korda täielikult välja lülitab ja vajab taaskäivitamist. Samas on arvutiprogrammidega sellised juhtumised ju pigem igapäevased. Kultuuriliselt on ka aktsepteeritud, et arvuti töö katkestab. Keegi ei imestagi selle üle,” räägib Uustalu. Professor lisab aga, et arvestades, kui kiiresti ja palju maailm ning kogu elu IT-seerub, muutub olukord igal pool ainult kriitilisemaks. „Kui räägime näiteks energeetikast – elektrijaamadest ja jaotusvõrgust –, ka keemiatööstustest, meditsiiniasutustest, siis on neis sektorites kõik IT-alased vead täiesti lubamatud. Palju probleeme tekitab seegi, kui meie X-tee, digilugu või ID-kaardi süsteem ei toimi õigesti ja nii, nagu peaks,” selgitab Uustalu. Eesti IT Tippkeskus EXCITE

73


TARKVARA ARENDUS, PROGRAMMEERIMISKEELED

Vigu tuleb vältida Uustalu toob oma sõnade selgituseks lihtsa näite. „Andsin mõni aeg tagasi digiallkirja ning ühel ja samal hetkel olid ekraanil nii punane märguanne, et allkiri ei kehti, kui ka roheline silt, et allkiri on edukalt antud. Kui selline olukord tekib näiteks olulise lepingu allkirjastamisel nt telesillas teise osapoole ja notariga, tekivad kohe ju küsimused, et kelle allkiri on antud ja legaalne, kelle oma mitte. Kuigi allkiri võib olla õige, nagu minu juhul oli, tõuseb segadus ning pingelises situatsioonis võib tehing läbi kukkuda. Minu digiallkirja tarkvara oli ilmselt vananenud, kuid sellelt saadud diagnostikat see asjaolu kuidagi ei õigusta,” räägib professor ja lisab, et kindlasti on normaalne ja õige küsimuste küsimine ka e-valimistekohta, tarkvara tuleb alati auditeerida.

Loome täiesti uusi keeli, kus osaliselt on täiesti uued alusprintsiibid võrreldes tänaste peavoolukeeltega. 2021. aastal oleme IT-sektorist palju enam sõltuv kui kunagi varem, seda nii meditsiinis, riigivalitsemises, hariduses kui ka meelelahutuses. Tugineme enamikus valdkondades juba läbivalt IT-süsteemidele ja sellele, et need süsteemid toimiksid õigesti, kiiresti ja vigadeta. Uustalu koos oma töögrupiga tegelebki EXCITE projektis sellega, et vältida vigasusi programmides, koodides. Neid vigu püütakse vältida mitte juhtimisalaste võtetega töötajate peal, vaid uuemate programmeerimisvahendite kaudu, milleks on programmeerimiskeeled ja programmeerija tööriistad nende ümber, muu hulgas teoreemitõestajad.

nid, kuhu on koondatud üle maailma mõnikümmend tuhat kõige helgemat pead, kes disainivad maailma parimaid kiipe. Neid kiipe saab üldjuhul usaldada, nendele on rakendatud väga kõrgel tasemel kvaliteedikontroll. Tarkvara kirjutab ju aga piltlikult öeldes igaüks. Küsimus on hariduses ja kogemuses, mida on üsna võimatu adekvaatselt hinnata ja hallata,” selgitab Uustalu. Koos Jaan Raikiga, kes tegeleb rohkem riistvaraga, ja Niccolò Veltriga, liigutaksegi selles suunas, et muuta ka programmeerijate töö ühelt poolt lihtsamaks, universaalsemaks ja hallatavamaks. Selleks kasutatakse olemasolevate koodide jaoks programseid tööriistu nende analüüsimiseks ja kontrollimiseks, teisalt aga luues põhimõtteliselt paremaid keeli, milles neid programme üldse kirjutada. „Loome täiesti uusi keeli, kus osaliselt on täiesti uued alusprintsiibid võrreldes tänaste peavoolukeeltega. Need printsiibid on üleni suunatud sellele, et tabada eksimisvõimalusi juba eos, koodi kirjutades. Nagu sõjaväes, kus on reeglid, protseduuriline raam, protokollid, millest ei tohi üle astuda. Kõik see on uude keelde sisse kirjutatud. Ühelt poolt on see ehk mõneti piirav, kuid teiselt poolt ja kokkuvõttes programmeerijatele abistav,” selgitab Uustalu.

Tarkvara kirjutab „igaüks” „IT valdkond jaguneb kaheks: riistvara ja tarkvara. Valdava osa riistvarast toodavad suurkorporatsioo-

74

Eesti IT Tippkeskus EXCITE


Täiesti uued programmeerimiskeeled Kokkuvõtvalt võib uued programmeerimiskeeled võtta kokku fraasiga correct by construction , mis tähendabki, et keel kontrollib programme selle kirjutamise ajal. Oluline on, et kood, mida kirjutatakse, vastaks reeglitele ja toimiks nii, nagu vaja. „Keelde on sisse kirjutatud reeglid, mida kood peab järgima või seda ei saa käivitada. Me omakeskis teeme nalja, et koodi saab kirjutada selliselt, et see ei tee midagi halba, Eesti IT Tippkeskus EXCITE

Keeled, millega meie tegeleme, löövad juba praegu kõige enam läbi pankade ja kindlustusseltside nendes osakondades, mis arvutavad välja skeeme, kuidas „maja alati võidaks”.

või siis selliselt, et see teeb ka midagi head. Kõige minimaalsem, mida programmilt nõuame, on see, et see midagi halba ei teeks või ära ei laguneks. Eesmärk on aga ikkagi, et kood käituks nii, nagu meile vaja ja teeks head,” selgitab professor. Kas uutes keeltes on sees ka teatav annus tehisintellekti? „On olemas programmide automaatse parandamise süsteemid – programme analüüsitakse ja parandatakse kas enne käivitamist või nende täitmisel käigupealt. Idee seisneb viimasel puhul selles, et kui programmi käituses tekivad eri-

75


TARKVARA ARENDUS, PROGRAMMEERIMISKEELED

nevad probleemid ja tõrked, siis koodi sisse kirjutatud „mõistus” tunneb need vead ära ja oskab käigupealt „ümber orienteeruda”. Kaugemale minev asi on aga süntees, mille idee on masinõppimisele ja tehismõistusele lähemal. Koodikirjutamine toimub õppides näidetest, millele programmeerija lisab juurde ka oma tarkust. Sünteesiga tegeletakse Eestis vähe, kui üldse. Küll aga tegeletakse automaatse parandusega. Oleme ka ise sellega tegelenud,” räägib professor.

Uued keeled leiavad rakendust kogu IT-sfääris Keeled, millega Uustalu töögrupp tegeleb, on funktsionaalkeeled või väga väljendusvõimsate tüübisüsteemidega keeled (rich types). „Keeled, millega meie tegeleme, löövad juba praegu kõige enam läbi pankade ja kindlustusseltside nendes osakondades, mis arvutavad välja skeeme, kuidas „maja alati võidaks”. Nendes osakondades töötavad sageli füüsika doktorikraadiga spetsialistid, kes jagavad

76

ühtviisi hästi nii vajaminevat matemaatikat kui ka mõistavad, kuidas seda kodeerida. Funktsionaalkeeled võimaldavad kirjutada väga elegantset koodi nendeks keerulisteks simulatsioonideks,” räägib Uustalu. Kui aga tulla normaalellu, tavainimese perspektiivi, näeb professor kahte suunda, kus tema arendatavad keeled saaksid olulist rakendust: turvalisuse ja privaatsusega seotud süsteemid. „Turvaapsakad, mis inimese suhtluses nii riigi kui ka korporatsioonidega toimuvad, on tegelikult ju ülitõsised ja sageli jäävad kinni mitte selle taha, et protokoll oleks valesti välja mõeldud. Vead tehakse just nende protokollide läbiviimisel.

Appi ID-kaardile Toome näite. Alles hiljuti kaitses Tartu Ülikoolis oma doktoritööd Arnis Paršovs, kes võttis vaatluse alla Eesti ID-kaardi. Paršovs, kes on ka varem ID-kaardile mitu korda „ära teinud”, oli ka oma doktoritöös suht hävitav, sest pärast kõiki intsiden-

te kaardi 20-aastase ajaloo jooksul ei saa riigiasutused aru probleemide tõsidusest. See on kindlasti koht, kus saab parem tarkvaratehnoloogiaga välja aidata,” selgitab Uustalu. Teine näide tuleb lähemalt, Uustalu oma töögrupi seest. „Poole kohaga tehnikaülikoolis ja teise poolega Eesti ühes ükssarvikus, ajatembeldusfirmas Guardtime, töötab mees nimega Denis Firsov. Erinevalt teistest, kes Guardtime’is töötavad – kellel on pigem infoturbe taust –, on Denisil programmeerimiskeelte ja teoreemitõestamise taust. Ta läks tööle ja avastas üsna kohe, et valdkonnas laialt kasutusel olev teoreemitõestaja Easycrypt – programm, millega kontrolliti ajatembelduse protokolle –, sisaldas ise vigu. Võibolla ta nägigi need ära, kuna tal oli formaalmeetodite taust, oskas vaadata asju teise nurga alt, teadis kohti, kust vigu otsida. Samas peaks uus keel ja selles kirjutamine sellised vead välistama,” selgitab professor. Teine probleem, mille Firsov avastas, on seotud konkreetselt ajatemEesti IT Tippkeskus EXCITE


beldusega ja selle ühe turvaomaduse definitsiooniga. Paarkümmend aastat on kõik seda definitsiooni kasutanud, sellest on tuletatud palju järeldusi. Järeldused ise on kõik õiged, kuid definitsioon osutub vea tõttu väärtusetuks – kui definitsiooni lugeda süvitsi, selgub, et see ei taga turvalisust, mida tegelikult on silmas peetud. Ning see tähendab, et kõik turvatõestused, mis on sellele algsele rajatud, on palju nõrgemad, kui arvatakse. „See konkreetne olukord, kus süsteemis on viga sees, puudutab meid kõiki aga otseselt: kui hästi siis ikkagi on turvatud meie andmed ja tegevused veebis ning muudes programmides, kuigi seda küpsiste lubamisel, sissepääsu lubade andmisel meile kinnitatakse. Nii muutuvad juba eos kõik load ja kaitsemehhanismid probleemseteks. Näiteks Facebook, kus on olnud ka rumalaid infrastruktuurilisi lekkeid, siis suurem probleem ongi olnud fundamentaalsete vigadega ligipääsuõiguste haldamise süsteemides, mis tegelikult kedagi ei kaitse. See tähendab, et pole olnud vaja Facebooki häkkida, sest sisse saab jalutada nii-öelda lahtisest uksest,” räägib Uustalu.

Suund on aina rohkem tehisintellektile Uustalu arvab, et aina enam hakkavad levima tehisintellektipõhised või meie eest asju otsustavad algoritmid. Kuid kuidas tagada, et tõlgendatav tehisintellekt teeks õiget tööd, käituks nii, nagu meie tahame, et selles poleks vigu ja ta poleks inimesele kahjulik? „Praegu juba näeme näiteks näotuvastusi riigipiiridel. Kuid aina enam võtame ühiskonnana vastu otsuseid, et selliseid süsteeme on vaja, mis tähendab, et neid ka arendatakse ja lähitulevikus on need üsna reaalselt meil erinevates kohtades olemas. Küsimus on, kuidas me tagame, et need süsteemid töötavad nii, et neist on kasu, õigesti ja vigadeta. Aga võtame laiemalt. Tehisintellekt teeb aina enam meie eest ära tööd näiteks panganduses, kus analüüsib laenu võtmisel kogu inimese eluloo, tema seniEesti IT Tippkeskus EXCITE

se käitumise ning teeb selle alusel otsuse. Sellises olukorras on vaja, et süsteem oleks õiglane ja töötaks ausalt,” selgitab Uustalu. Kuid professor ütleb ka, et uus loodav keel ei ole kõikvõimas, vaid vajab ikkagi inimese kalibreerimist ja „õpetamist”. „Päriselt me ei saagi sellist keelt luua, mis võimaldaks inimese mingil hetkel täielikult võrrandist välja lülitada. Me saame anda keele kaudu koodile tingimusi ning lasta siis koodil ise õppida ja probleeme lahendada. Aga inimest on ikka vaja. Samas on tulemas suur hõõrdumine keelte jäikuse, kindlas rööpas olemise ja isemõtlemise, paindlikkuse

MIDA TOOB TULEVIK ISALE JA TÜTRELE? Isa Toomas (30) ja tütar Emma (5)

Tehisintellekt teeb aina enam meie eest ära tööd näiteks panganduses, kus analüüsib laenu võtmisel kogu inimese eluloo, tema senise käitumise ning teeb selle alusel otsuse. Sellises olukorras on vaja, et süsteem oleks õiglane ja töötaks ausalt. vahel. Peame aga suutma isemõtlemist hästi analüüsida. Peame tehisintellekti niimoodi programmeerima, et sellel oleks aruandluse võimekus ja kohustus,” selgitab Uustalu ja lisab, et isegi kui suudame täielikult töötada välja automaatse keele või kirjutada selles automaatselt toimiva koodi, ei ole võimalik inimese abita seda ikkagi toimima panna nii, nagu suudaks inimene. „Kriitiline piir tuleb ette siis, kui peame andma kogu kontrolli ära. Seda ei ole mõistlik teha isegi siis, kui automatiseerimine on rentaablim. Kahjuks ei saa ühtegi süsteemi lõpuni selliselt usaldada, et loobuda kontrollist,” selgitab professor.

Põhimõtteliselt olid jutu alguses mainitud teoreemitõestajad ja võimekused uut programmeerimiskeelt kirjutada olemas juba 80ndatel. Läbilöök neis kahes suunas tuli aga siis, kui arvutid muutusid riistvaraliselt võimsaks. Viimased 10–15 aastat on olnud nende kahe suuna jaoks imeliselt hea aeg. Saavutatud on mingi momentum, ühine arusaam nende kahe suuna vajalikkusest. Seda, mis juhtub tema valdkonnas 50 või ka 100 aasta pärast, ei oska Uustalu kuidagi hinnata. „Mulle tundub 50 aasta kaugusele edasi vaatamine hirmuäratav ja see aeg on ikka jube pikk. Ma olen tegelikkuses tehnoloogiapessimist. See, kuidas on interneti levik ja hilisem sotsiaalmeedia plahvatus meie elusid ja sotsiaalset olukorda muutnud, on kardinaalne. Me veel ei tea, kas see muutus on kokkuvõttes üldse hea. Rääkimata sellest, mis võiks olla reaalsus poole sajandi pärast,” ütleb Uustalu.

77


Targa hoone makett Eesti Maaülikoolilt, mille abil näitlikustatakse targa linnaga seonduvaid ideid Targa Tartu projektis.

Satish Narayana Srirama: tänu meie tööle on nutiseadmed ja -lahendused tulevikus odavamad

Satish Narayana Srirama töötas aastaid Tartu Ülikoolis, kuid kolis eelmisel suvel tagasi oma kodumaale Indiasse. Ta on endiselt Tartus külalisprofessor ja juhatab seal loodud laborit. Srirama uurimisrühm töötab probleemide kallal, mis on meie palju nutikamat tulevikku arvestades tõeliselt olulised.

Ü

hiskond on nutilinnadest unistanud aastakümneid. Tehisintellekti ja masinõppe üle arutati juba seitsmekümnendatel. Tänapäeval on meil olemas selle unistuse tegelikkuseks muutmiseks vajalikud teadmised, tehnoloogia, võimalused ja taristu. See tundub olevat käeulatuses, kuid meil seisab

78

ees pikk teekond. Siiski pole see enam teadusulme. „Me jõuame selleni. Järgmised põlvkonnad näevad seda kindlasti, kuid selleni viiv tee on konarlik. Praegu teeme esimesi väikseid samme,” alustab professor Srirama. Srirama sõnul muutub maailm iga päev üha digitaalsemaks ja nutikamaks. Igas valdkonnas antakse pidevalt välja paeluvaid värkvõr-

gurakendusi (Asjade Internet, ingl – Internet of Things, lühend IoT). Srirama rühma eesmärk on teha värkvõrk ja pilvteenused kõigile soodsalt kättesaadavaks, hoides samal ajal silma peal kasutuskoEesti IT Tippkeskus EXCITE


VÄRKVÕRK JA PILVTEENUSED

gemuse kvaliteedil. Rühm kujundab nutirakenduste jaoks arhitektuure, optimeerib energiatarbimist ning täiustab pilvserverite ja andmekeskuste tööd. „Järgmise paari aastakümne jooksul hakkab see tähtsat rolli mängima. Samuti prognoosime, et meie udu- ja pilvseadmete vahelise andmevoo tõhususe uuringud mõjutavad oluliselt pilve- ja värkvõrgupõhiste rakenduste jõudlust, mis võib seejärel tavainimeste kasutuskogemust veelgi paremaks teha,” ütleb Srirama.

Tohutu kasu ettevõtetele Arvestades seda, kuidas uurimistöö praegu edeneb, usuvad nad, et saaksid teoreetilise hindamise ja katsetulemuste kaudu anda tulevaste tipptehnoloogiliste tööriistade loomisse märkimisväärse panuse. Üks selline panus on pilvandmekeskuste ja uduserverite energiatarbimise valdkonnas. „Jätkame ka tulevikus servseadmete uurimist, mis on väga kasulik ettevõtetele, kes kasutavad neid kulude vähendamiseks ja tulude suurendamiseks. Kulude märkimisväärse vähenemise tõttu suureneb ettevõtete nõudlus tohutult. Nõudlus suureneb nii erimajandustsoonides asuvate inimeste kui ka kõikide majapidamiste arvelt. Suurenenud nõudluse tõttu saavad ettevõtted oma kulusid veelgi vähendada ja tulusid suurendada. Me töötame ka kaasavate ärimudelitega, mistõttu saavad väiksemad ettevõtted, näiteks kohvikud, samuti avalikkusele kättesaadavast tehnoloogiast osa,” lisab Srirama.

Appi tuleb tehisintellekt

Pikemas perspektiivis tahame välja töötada üldarhitektuurid, mille abil oleks lihtne värkvõrgulahendusi arendada, kuid suurim probleem, millega tulevikus silmitsi seisame, on energiatarbimine – aku saab liiga ruttu tühjaks. rastatud teenusepakkumise kaudu ja andmekonveiereid. Peale selle analüüsime ka NB-IoT ja SigFoxi toimivust,” kirjeldab ta. Nii et enam ei keskendu nad ainult pilvteenustele ja ressursihaldusele, vaid pilv- ja uduteenuste eri külgedele.

„Me lahendame matemaatiliselt keerukaid probleeme endiselt traditsiooniliste meetodite abil, aga uurime nüüd ka seda, kas selle jaoks saaks kasutada tehisintellekti,” ütleb Srirama.

Koostöö EXCITE-s Ta kiidab EXCITE-t kui platvormi, mis võimaldab teistega koos uurimistööd teha. Sirama on teinud koostööd N. Poddari, S. Z. Khani, J. Massi ja Yannick Le Moulleciga, et analüüsida, kui hästi toimivad energiatarbimispiiranguid arvestades kaks LPWAN-tehnoloogiat (s.t NB-IoT ja Sigfox), kui sensoriandmeid testitakse nii erinevates tingimustes – nii sees kui väljaa. „Me korraldasime Tartu Ülikoolis ja Tallinna Tehnikaülikoolis katse. Selle analüüsi abil saaksime soovitada ettevõtetele, millist tehnoloogiat neil on kindlas olukorras vaja. Peale selle oleme koos professor D. Pfahliga uurinud, milline on energiatarbimise roll Androidi tarkvaralahenduste väljatöötamisel,” ütleb Srirama.

Vasakult paremale: Jakob Mass, Pelle Jakovits, Chinmaya K. Dehur

Professor Srirama uurimistöö keskendub värkvõrgule ja udu-/pilvearvutusele ning tema sõnul on uurimisrühma eesmärk muuta meie elu paremate värkvõrguteenuste abil nutikamaks. „Seda arvestades tegeleme me mitmesuguste uurimisprobleemidega, näiteks CO2-jalajälje vähendamisega, uurides andmekeskuste ja Androidi seadmete energiatarbimist, kvaliteetsemaid teenuseid isikupäEesti IT Tippkeskus EXCITE

79


VÄRKVÕRK JA PILVTEENUSED

Põhiliselt keskendutakse energiakasutuse optimeerimisele Praegu on teadusmaailm pisut maha jäänud: hoolimata sellest, et värkvõrgulahendused muutuvad üha nutikamaks, kasutame endiselt algelisi ar-

hitektuure ja arendame igat süsteemi käsitsi. Srirama sõnul ühendatakse punkte käsitsi ja see peab muutuma, kui soovime energiatarbimist optimeerida. „Pikemas perspektiivis tahame välja töötada üldarhitektuurid, mille abil oleks lihtne värkvõrgulahendu-

si arendada, kuid suurim probleem, millega tulevikus silmitsi seisame, on energiatarbimine – aku saab liiga ruttu tühjaks.” Kodus olevate seadmete korral pole see probleem, sest saame lihtsalt laadijat kasutada. Kuid kui mõelda muude keskkondade peale,

Kaugpilvandmekeskus

S su uu al ra is nd ee m rim et in e a e, n ta alü lle üs ta , m in e

Otsene suhtlus pilvteenustega

vi

Suhtlus kohalike uduserveritega

Nutikodu keskseade

(värkvõrgurakendustega)

ad ev

its br

Üm

An

dm

et e

ee l

tö öt

ed

lu

m

s

d an

80

Uduserverid

(asukoha- ja privaatsustundlike rakendustega)

Eesti IT Tippkeskus EXCITE


VÄRKVÕRK JA PILVTEENUSED

nagu metsad, veekogud ja muud kohad, kus toiteallikat pole läheduses, muutub see probleemiks. Srirama sõnul tahavad nad energiakasutuse optimeerimiseks arendada eri mudeleid. Peamiselt soovivad nad siiski kasutada tehisintellekti, et teha kindlaks, millal on üldse vaja suhelda. Oletame, et kuskil sügavas metsas on andur, millelt kogutakse praegu teavet iga sekund – nii saab aku ühe päevaga tühjaks. Kui suhtlemine toimuks üks kord minutis, nii et ülejäänud 59 sekundi jooksul seda ei tehta, säästaks see tohutult energiat. Samas peaksime olema valvsad, et energia säästmine ei muutuks sensori põhieesmärgist tähtsamaks.

Andmekeskuste siht on kõrge Kogu maailmas mainitakse üha enam sõna „keskkonnasäästlik”, mis toob esile veel ühe probleemi, millega tuleb pilvearvutusvaldkonnas tegeleda. Kui me reastaks maailma riigid, mis kasutavad kõige rohkem energiat, ja arvestame ka kõiki nende andmekeskuseid, siis oleks pilvearvutuse energiakasutus üleilmselt 5. kohal. Greenpeace’i andmetel tarbib pilvearvutusvaldkond üle maailma rohkem energiat kui kõik riigid peale nelja suurima (USA, Hiina, Venemaa ja Jaapan) ning ainult nende nelja riigi iga-aastane elektrikasutus on pilvteenuste energiakasutusest suurem. Srirama teab, et andmekeskused püüavad olla rohelisemad ning kasutada päikese-

Eesti IT Tippkeskus EXCITE

Teenus, millest me kõik kasu saame, on pilvearvutused ning praegu üritatakse leida lahendusi, mis muudaksid selle jätkusuutlikuks. See muutub eelolevate aastakümnete jooksul märgatavalt keskkonnasäästlikumaks. ja tuuleenergiat. Peale selle kasutavad nad enda toodetud soojust. Kuid ees on veel pikk tee. „Bitcoin’i kaevandamine on teistsugune. Selleks on vaja palju energiat ja see ei tasu end enam ära.

Teenus, millest me aga kõik kasu saame, on pilvearvutused ning praegu üritatakse kogu aeg leida lahendusi, mis muudaksid selle jätkusuutlikuks. Ma usun, et see muutub eelolevate aastakümnete jooksul märgatavalt keskkonnasäästlikumaks,” ütleb ta. Kui kujutame ette nii nutilinnu, -transporti ja -kodusid kui ka isesõitvaid autosid, tekib meil arusaam, kuhu poole me liigume. „Me lahendame üksikuid probleeme nende tekkides, kuid peame endilt küsima: kuidas mõjub see keskkonnale? Seda pole veel täielikult uuritud, kuid me töötame selle kallal.”

Pilvearvutuste manifest Srirama ja tema meeskond teeb ulatuslikku koostööd kõikjalt maailmast pärit teadlastega. Tavaliselt rahastab projekte Euroopa Komisjon. Srirama kuulub ühe väga tähtsa dokumendi loojate hulka – ta tõi üle maailma kokku 25 asjatundjat, et avaldada „Pilvearvutuste manifest1”, milles tuuakse välja probleemid, millega valdkond peab järgmise kümne aasta jooksul tegelema. „Ühtlasi näitab see, et me töötame kõik koos, et lahendada probleemid, millega me silmitsi seisame. Ma olen selle dokumendi koostamise üle uhke,” ütleb ta. Huvi on üles näidanud ka erasektor; Srirama toob eraldi välja Telia, kes aitas luua Tartu Ülikooli arvutiteaduse instituudi mobiili- ja pilvearvutuste labori2 juurde kuuluva värkvõrgu labori. Telia lubas kasutada oma tehnoloogiat ja toetas taristu ostmist.

81


„Me peame Euroopa Liidu projektidesse kaasama väikesi ja keskmise suurusega ettevõtjaid. Ettevõtted tunnevad selle uurimisvaldkonna vastu suurt huvi.” Srirama lisab, et see valdkond on terves maailmas luubi all. „Me peame ju nutikamaks muutuma, kas pole?” ütleb ta. Nutikamaks muutumiseks on vaja investeerida rohkem nii lahendustesse kui ka standarditesse. „Kindlasti rahastatakse meid ka edaspidi. Enne õnnestumist tuleb kulutada palju raha.”

Me pole praegu tulevikuks valmis Selle artikli alguses rääkisime teadusulmest, aga mis oleks, kui me ärkaks homme hommikul üles ning taipaks, et meie kodu, linn ja kontor ongi just nii nutikad, nagu me ette kujutanud oleme? Srirama tuletab meile meelde, et me pole selleks veel valmis. Teame juba, mida on selle eesmärgi saavutamiseks vaja, aga oleme sinna viivast teest läbinud üksnes kümnendiku, usub ta. „Mõelge sellele! Eesti on tehnoloogiliselt väga arenenud riik, kuid vaatleme nüüd Indiat, mille peaaegu Euroopa-suurusel maa-alal elab üle miljardi inimese. Sellise ala teenindamiseks on vaja ulatuslikku taristut, kuid selleks ei olda valmistunud,” ütleb ta. Aga kas nutiseadmed ja -linnad sobivad kõigile? Srirama hinnangul tahab 10% inimestest endiselt elada maal metsade ja põldude keskel. Peame leidma tasakaalu ja oma inimesi harima, et nad oleks selliseks järsuks muutuseks valmis. „Nende mured tuleb ära kuulata ja nendega tuleb tegeleda. Inimesed peavad sellest muutusest aru saama. Valitsused peavad investeerima tohutuid summasid ning tähelepanuta ei saa jätta ka turvalisust. On suurepärane, et mu kolleegid EXCITE-s tegelevad nende probleemidega kvantja postkvantkrüptograafia jms vaatenurgast. Mida me ka ei teeks, eelkõige peavad inimesed selleks valmis olema. Kui ärkaksime homme üles nutilinnas, oleksid inimesed muidugi ehmunud,” arvab Srirama. 1 2

82

https://doi.org/10.1145/3241737 https://mc.cs.ut.ee/

MIDA TOOB TULEVIK ISALE JA TÜTRELE? Isa Toomas (30) ja tütar Emma (5) Toomase ja Emma jaoks muutuvad tavaliseks suured pilvandmekeskused, mille CO2-jalajälg on null. See tähendab, et peale põhiliselt rohelise energia kasutamise saavad sellised keskused ka muud energiat taaskasutada; see on samuti võimalik tänu EXCITE uurimistööle sellest, kuidas optimeerida energiatarbimist igasugustes seadmetes, alates Androidi seadmetest kuni pilvandmekeskusteni. Energiatarbimise vähenemisega muutuvad märkimisväärselt taskukohasemaks ka pilvteenuste hinnad, mistõttu saavad Toomas, Emma ja ettevõtted võtta tarvitusele pilvökosüsteemi. Aja jooksul on teadlastel ja ettevõtetel võimalus suurendada akude mahutavust. Me usume, et kui Androidi rakendused muutuvad märkimisväärselt energiasäästlikumaks, pikeneb ka akude elutsükkel, mistõttu odavnevad Androidi seadmed veelgi. „Me soovime samasuguseid uuringuid jätkata ka värkvõrguseadmetega. Kui areneme edasi praeguses tempos, näen ma ette tulevikku, kus mitme värkvõrguseadmega ja pilvteenuseid kasutav nutikodu on uskumatult odav ja taskukohane igale majapidamisele,” ütleb ta isale ja tütrele. „Aga ma muretsen, kuidas nutitelefonid ja muud nutiseadmed meie psüühikale mõjuvad. Seda pole täielikult uuritud, kuna ükski põlvkond pole veel üles kasvanud ainuüksi nutiseadmeid kasutades. Noored ei tunne õues käimisest nii palju rõõmu kui mina noorena. Kuidas see inimesi mõjutab? Jääb üle vaid oodata.” Srirama keskendub peale energiatarbimise optimeerimise ka sellele, kuidas jõuda kiiremini tervema ja rohelisema keskkonna ehitamiseni, millel on võimalikult väike CO2-jalajälg. Nutiseadmete tootmise keskmist CO2jalajälge uurivad paljud teadlased. Näiteks tekib ühe nutitelefoni tootmise ajal 55 kg CO2-heitmeid, mis võrdub 26 nädala jooksul kogunenud pesu pesemisega. Nii et kui me suudame pikendada nutitelefonide ja muude nutiseadmete eluiga, saaksime vähendada ka nutiseadmete üleilmselt energiajalajälge, mis on 2040. aastal hinnanguliselt 14%. „Samuti usun ma, et värkvõrguseadmed hakkavad meie igapäevaelu märkimisväärselt rohkem mõjutama, mistõttu võetakse omaks mitmesugused nutiteenused, nagu nutilinnad, -kodud, -elustiil, nutikas eakate hoolekanne ja tervishoid,” ütleb ta. „Selleks et lõpptarbija ei peaks tegelema mitmesugustest vaheseadmetest pärit andmete dünaamilise marsruutimisega, keskendume andmekonveieri arhitektuurile. Prognoosime, et meie uurimistöö mängib tulevikus suurt rolli ülimalt keeruka nutikeskkonna loomisel, kus kõik seadmed töötavad sujuvalt ja sidusalt,” lisab Srirama. Kui kõik see toimub järgmise sajandi jooksul, hakkavad Emma ja tema lapsed elama nutikeskkonnas, s.t CO2-neutraalsetes linnades, kus sõidavad ringi üksteisega suhtlevad nutisõidukid, mis muudavad sihtkohta jõudmiseks sujuvalt oma teekonda. Peale selle elavad inimesed nutikodudes, kus kõik elektroonikaseadmed on piisavalt autonoomsed, et end ise parandada. Samuti on siis olemas nutikad turvalised kogukonnad ja nutikas paberivaba valitsussüsteem, mis tähendab, et e-valitsuse jaoks mõeldud taskukohaste pilvteenuste tõttu ei pea enam ükski inimene ühtegi riigiasutust külastama. Eesti IT Tippkeskus EXCITE