Bryter gränser

När det gäller avdelningar för elektroteknik rankas MIT som nummer ett, enligt U.S. News och World Report. Det är en passande prestation för skolan som var först i USA med att introducera klasser i elektroteknik och som sedan dess har varit födelseplatsen för utvecklingar som blixtljus och Rivest, Shamir och Adleman-eller RSA-public key-kryptering, världens mest genomgripande krypteringssystem.

Idag är institutionen för elektroteknik och datavetenskap en gigant med cirka 120 lärare och 2 000 studenter. De arbetar och studerar i skuggorna av sådana jättar som Vannevar Bush, som utvecklade den första användbara beräkningsmaskinen, och Marvin Minsky, en pionjär inom artificiell intelligens som byggde några av de första mekaniska händerna.

Men avdelningen överskuggas aldrig av sitt förflutna eller överväldigas av sitt nuvarande rykte. När den firar sitt hundraårsjubileum den här månaden fortsätter avdelningen att se till en framtid med att spränga gränser inom forskning och undervisning – från att arbeta över discipliner till att använda teknik för att se över hur kurser undervisas.

Livslänkad forskning

Liksom resten av institutet är kurs VI översvämmad av tvärvetenskaplig forskning. De mest framträdande interaktionerna är arbete med biologiska projekt.

Det här århundradet är biologins århundrade, liksom förra århundradet var fysikens århundrade, säger docent Rahul Sarpeshkar, vars forskargrupp arbetar med en rad biologifokuserade projekt. Den ena är utvecklingen av en processor för ett bioniskt öra. Cochleaimplantat kan kopplas direkt till hörselnerven, vilket gör att hörseln blir verklighet för de djupt döva som fortfarande har hörselnerven intakt. Sarpeshkars grupp skapar en analog processor med mycket låg effekt för att tolka ljudsignaler. På grund av sin extremt låga strömförbrukning kommer den att fungera i årtionden när den väl har implanterats i en persons öra. Och eftersom kiselimplantatet efterliknar örats naturliga cochleastruktur, kommer det att vara bättre än konventionella hörapparater för att särskilja ljud bland irrelevant bakgrundsljud. Inom det närmaste året eller två säger Sarpeshkar att hans processor kommer att vara redo att användas, då kommer du inte ens veta att personen är döv.

Samtidigt tar gruppen signaler från naturen i sin utveckling av andra system. Till exempel använder Sarpeshkar hjärnans neurala aktivitet och vänstra hjärnans och höger hjärnans tendenser för att informera om sitt arbete på en hybriddator, en maskin som använder både analoga och digitala processer för att beräkna. Dessutom, för att utveckla rörelsechips som om några år kan användas för målspårning, säkerhetskameror och robotik, tar Sarpeshkar lärdomar från husflugor, vars ögon är naturligt mycket känsliga för rörelse.

Men det här är inte det enda biologirelaterade projektet som påverkar. Professor Eric Grimson, biträdande chef för Artificial Intelligence Lab, har arbetat tillsammans med läkare vid Bostons Brigham and Women's Hospital med bildstyrda kirurgiska processer. Hans datorsystem använder en patients preoperativa skanningar för att bygga en exakt grafisk modell av operationsområdet. Före operationen studerar läkare modellen för att planera de minst invasiva sätten att slutföra sina uppgifter. I operationssalen projicerar de den grafiska modellen på patientens kropp för att hjälpa dem att navigera. Under hela operationen spårar Grimsons system också de kirurgiska verktygen, visar läkarna den exakta platsen för spetsen av varje verktyg och låter dem styra det mycket exakt till de nyckelstrukturer de vill nå.

Anledningen till att kirurger så här är, vanligtvis, det minskar operationstiderna med hälften, säger Grimson. Det låter kirurgerna göra operationer som de annars skulle behandla som inoperable.

Grimsons system används endast på Brigham and Women's Hospital, men han noterar att liknande – även om mindre sofistikerade – system har börjat dyka upp på marknaden. Han förväntar sig att om två till tre år, i väntan på regeringens godkännande, kommer sådana system att vara utbredda.

Andra uppmärksammade projekt är professor David Giffords och docent Tommi Jaakkolas forskning. Deras arbete kopplar datavetenskap med forskning om det mänskliga genomet. Professor Jim Fujimoto har också banat väg för ett nytt studieområde - optisk koherenstomografi - som fokuserar på diagnostiska undersökningar av näthinnan. Och biträdande professor Vladimir Bulovic, som utvecklar enheter som använder organiska material som halvledare, har hjälpt till att producera organiskt drivna kristaller som lyser i en mängd olika färger. Dessa kristaller skulle kunna användas för att göra datorskärmar som skulle förbruka mycket mindre ström än dagens modeller.

Elektroteknik, som ett av de mest mogna ingenjörsområdena, har mycket att bidra med inom biologin när det gäller hur man tänker på och närmar sig problem, säger biträdande professor Joel Voldman, som tillsammans med biträdande professor Jongyoon Han arbetar med biologisk mikroelektronisk mekanisk system. Voldman har skapat en elektronisk metod för att hålla celler på plats så att de kan studeras.

Till sist sammanfattar avdelningschef John Guttag sin avdelnings växande fokus: Man tittar på avdelningen idag, och den är mycket mer involverad i både biologi och medicin än någonsin tidigare. vi kommer att fortsätta att utvecklas i den riktningen.

Tekniskt kopplad undervisning

Institutionens starka betoning på att undervisa studenter är en egenskap som skiljer den från andra institutioner, säger professor Jeffrey Shapiro, chef för Research Laboratory of Electronics. Och nuförtiden uppmärksammas fakultetsmedlemmar för deras speciella användning av teknik för att hjälpa dem att undervisa mer effektivt.

Under de senaste åren har Grimson och hans kollega professor Tomas Lozano-Perez experimenterat med en onlinelärare i tre kurser. Deras elever kan slutföra problemuppsättningar och skicka in sina svar via webben för omedelbar feedback. Online-handledaren listar de problem som var felaktiga och ger tips om hur man åtgärdar dem. Eleverna kan arbeta med problemen om och om igen och skicka in sina set så ofta de vill. Jag gillar det faktum att detta förvandlar problemuppsättningarna till inlärningsmöjligheter snarare än betygsmöjligheter, och eleverna verkar uppskatta det också, säger Lozano-Perez, som planerar att använda handledaren i ytterligare kurser under de kommande månaderna.

Paret har också experimenterat i 6.001, Structure and Interpretation of Computer Problems, med en annan idé-online-föreläsning. Förr undervisades klasserna med 200 till 400 studenter delvis genom stora föreläsningar. Vid slutet av terminen, konstaterar Grimson, hade närvaron vanligtvis sjunkit till cirka 60 procent. Så Grimson och Lozano-Perez eliminerade de flesta liveföreläsningar och flyttade föreläsningsserien online. Nu tittar eleverna på PowerPoint-presentationer med ljudkommentarer på egen hand, och de flesta gör det mer än en gång. Experimentella studier som vi har genomfört visar att studenterna lär sig materialet bättre, eller minst lika bra, med onlineföreläsningar än med motsvarande liveföreläsningar, säger Lozano-Perez. Båda professorerna noterar dock att onlineföreläsningar kanske inte är det bästa alternativet för andra kurser.

Institutionen har tagit ett annat nytt tillvägagångssätt: att utöka laboratoriemöjligheterna till Internet. 1998 utvecklade professor Jesus del Alamo Microelectronics WebLab, som tillåter studenter i en grund- och en forskarutbildning, såväl som studenter från Singapore-MIT Alliance, att genomföra laboratorieexperiment på distans. Eleverna genomför mätningar online genom att kontrollera labbutrustning via Internet.

Jag ville att mina elever skulle få uppleva hur transistorer och andra mikroelektroniska enheter faktiskt fungerar och jämföra det med modellerna och beteendet jag undervisar i klassen, säger del Alamo, som förklarar att innan detta hade eleverna inte kunnat få en förstahandsupplevelse eftersom utrustningen är dyrt, utrymmet är begränsat och labb är svåra att hantera. Nu har dock mer än 800 studenter och doktorander fått den erfarenheten genom WebLab.

Därefter planerar del Alamo att förbättra upplevelsen genom att lägga till mekanismer för långdistanssamarbete och för att genomföra simuleringar. Del Alamo säger också att en ny systemarkitektur kommer att göra labbet lättare att underhålla.

Länkar inom

När det gäller att attrahera de bästa studenterna säger Guttag att hans avdelning är unikt positionerad för att vara konkurrenskraftig. Elektroteknik och datavetenskap är båda väldigt skilda områden idag, och vi är en av få avdelningar någonstans som kan ta med kritisk massa i många aspekter av dessa områden, säger han. Samtidigt har eleverna blivit mer intresserade av att studera både elektroteknik och datavetenskap, istället för det ena eller det andra. Anmälan till kurs VI-2, banan som kombinerar dessa discipliner, har klättrat under de senaste åren. Samtidigt skjuter institutionens antal doktorander i höjden, med nästan 3 000 ansökningar till forskarutbildningen i år.

Med flytten till Stata Center i höst kommer samspelet mellan avdelningens två sidor att öka. För första gången i vår historia kommer elektroteknik och datavetenskap i princip att vara tillsammans geografiskt, säger Guttag. Jag tror att det kommer att ha en mycket stor inverkan på hur vi undervisar och vilken forskning vi gör om vi alla är nära varandra fysiskt. Dessutom kommer Laboratoriet för datavetenskap, Laboratoriet för artificiell intelligens och Laboratoriet för informations- och beslutssystem, som hade varit fysiskt separerade från resten av institutionen, snart att placeras precis nere i korridoren från den akademiska institutionen som försörjer det mesta av deras forskare.

Victor Zue, chef för Laboratoriet för datavetenskap, säger att flytten till Stata Center är enormt viktig. När det gäller interaktion med resten av campus, säger han, gör närheten stor skillnad. Att flytta över oss till den delen av världen kommer definitivt att ha en inverkan på ett förbättrat samarbete med den elektrotekniska sidan av avdelningen.

Planer är också på väg att slå samman Laboratory for Computer Science och Artificial Intelligence Lab, som redan samarbetar om en betydande mängd forskning, säger Zue. Sammanslagningen och efterföljande byte av det nya, kombinerade labbet bör ske mitt på året.

Med ökad samverkan både inom institutionen och med andra discipliner inom hela institutet bör elektroteknik och datavetenskap fortsätta att sätta fart i forskning och undervisning. Den 23 maj kommer institutionen att fira sitt förflutna såväl som sina nuvarande prestationer vid ett hundraårsfirande. Evenemanget inkluderar ett dagslångt symposium i Kresge Auditorium som kommer att belysa utbildnings- och forskningsinitiativ. Det kommer att följas av en mottagning och galamiddag på Park Plaza Hotel.

Dölj