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《自然》:人工智能和機(jī)器人技術(shù)幫助改變其他研究領(lǐng)域的四種方式

2022-10-19 09:45 性質(zhì):原創(chuàng) 作者:倚歌 來(lái)源:AGV網(wǎng)
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從處理深海生物到改善氣候預(yù)測(cè),該技術(shù)可以是變革性的。人工智能(AI)已經(jīng)被證明是生物信息學(xué)的革命性工具;谷歌旗下的倫敦DeepMind公司建立的AlphaFold數(shù)據(jù)庫(kù)允許科學(xué)家預(yù)測(cè)100萬(wàn)個(gè)物種中2億個(gè)蛋...

從處理深海生物到改善氣候預(yù)測(cè),該技術(shù)可以是變革性的。

人工智能(AI)已經(jīng)被證明是生物信息學(xué)的革命性工具;谷歌旗下的倫敦DeepMind公司建立的AlphaFold數(shù)據(jù)庫(kù)允許科學(xué)家預(yù)測(cè)100萬(wàn)個(gè)物種中2億個(gè)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。但其他領(lǐng)域也在受益。在這里,我們描述了研究人員的工作,他們追求尖端的人工智能和機(jī)器人技術(shù),以更好地預(yù)測(cè)地球上不斷變化的氣候,揭開藝術(shù)品背后隱藏的歷史,了解深海生態(tài),開發(fā)新材料。

具有柔軟觸感的海洋生物學(xué)

要承受深海生活的嚴(yán)酷考驗(yàn),需要一種堅(jiān)韌的生物體。但是這些有彈性的物種往往也是非常精致的,從柔軟的生物,如水母和海參,到堅(jiān)固但脆弱的深海魚類和珊瑚。它們的脆弱性使得研究這些生物體成為一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。

在許多海底機(jī)器人上發(fā)現(xiàn)的堅(jiān)固的金屬操縱器更有可能傷害這些標(biāo)本,而不是將它們完整地打撈出來(lái)。但是基于柔性聚合物的 "軟體機(jī)器人 "正在為紐約市立大學(xué)的David Gruber等海洋生物學(xué)家提供一種更溫和的替代方案,與這些神秘的深海居民進(jìn)行互動(dòng)。

一些方法涉及用這些柔軟的元素來(lái)建造傳統(tǒng)自主車輛上的樣本處理臂,而另一些方法則更接近于模仿它們的對(duì)象,完全由柔軟和靈活的材料組成。Gruber說(shuō),問(wèn)題是這是否將允許科學(xué)家在深海中采集活體樣本,"并做一些我們通常在受控的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中,在潛艇的球體內(nèi)做的事情"。

答案似乎是一個(gè)決定性的肯定。在過(guò)去的八年里,格魯伯一直在與馬薩諸塞州劍橋市哈佛大學(xué)的機(jī)器人專家羅伯特-伍德合作,構(gòu)建能夠在潛水員害怕去的環(huán)境中有效運(yùn)作的機(jī)器人,他在該領(lǐng)域的其他一些同事也完成了類似的壯舉。例如,在2021年,由浙江大學(xué)的機(jī)器人專家李鐵峰領(lǐng)導(dǎo)的中國(guó)研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)機(jī)器人,可以在馬里亞納海溝的陰暗深處--西太平洋表面以下近11公里的地方航行。

早期的這些軟體機(jī)器人主要集中在安全捕捉和處理活的海洋生物,但是下一波機(jī)器人應(yīng)該能夠在不返回陸地的情況下進(jìn)行更廣泛的分析。Gruber描述了在水下進(jìn)行質(zhì)譜分析或復(fù)雜的成像方法的系統(tǒng)開發(fā)進(jìn)展,他和Wood甚至開發(fā)了一個(gè)軟體機(jī)器人,可以對(duì)新捕獲的標(biāo)本進(jìn)行基因組分析。

成本仍然是一個(gè)非常大的障礙。Gruber指出,即使是較小的潛水器系統(tǒng)也要花費(fèi)數(shù)十萬(wàn)美元。但是軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)也賦予了很大的靈活性。例如,格魯伯的同事已經(jīng)證明,他們可以在海上工作時(shí)使用3D打印機(jī)來(lái)創(chuàng)建專門的操縱和抓取部件,使他們能夠迅速為考察期間發(fā)現(xiàn)的水母、珊瑚或其他生物定制其機(jī)器人。

盡管這項(xiàng)技術(shù)還沒(méi)有被廣泛接受,但格魯伯對(duì)軟體機(jī)器人技術(shù)可能改變海洋生物學(xué)充滿熱情,因?yàn)樗试S研究人員快速獲得對(duì)新物種的有用見(jiàn)解,而不僅僅是來(lái)自潛水艇攝像機(jī)的轉(zhuǎn)瞬即逝的快照。"他說(shuō):"這些動(dòng)物中的大多數(shù)都是非常新的,我們對(duì)它們要么所知甚少,要么一無(wú)所知。

改變氣候預(yù)測(cè)

每隔三到七年,太平洋的水域就會(huì)在相對(duì)溫暖和涼爽的表面溫度之間波動(dòng)。雖然只有幾度,但這些變化對(duì)全球氣候有深遠(yuǎn)的影響,對(duì)亞洲、大洋洲美洲的降雨和風(fēng)暴活動(dòng)有很大影響。

對(duì)這些變化時(shí)間的了解--正式稱為厄爾尼諾-南方濤動(dòng),或ENSO--可以幫助社區(qū)為干旱、嚴(yán)重颶風(fēng)或其他極端天氣事件做好準(zhǔn)備。這種預(yù)測(cè)很難有很大的把握,但在2019年,韓國(guó)光州全南國(guó)立大學(xué)的Yoo-Geun Ham團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種算法,基于一種被稱為深度學(xué)習(xí)的人工智能技術(shù),可以提前兩年成功預(yù)測(cè)這些海洋變暖和變冷事件。事實(shí)上,他們的算法的預(yù)測(cè)在過(guò)去三年里一直在預(yù)測(cè)ENSO模式。"到目前為止,這么好。"Ham說(shuō)。

人工智能是氣候科學(xué)工具箱的新成員,但已經(jīng)證明它擅長(zhǎng)通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)發(fā)現(xiàn)有意義的大氣和海洋活動(dòng)模式。在某些情況下,人工智能可以產(chǎn)生很好的未來(lái)預(yù)測(cè),例如 Ham 與 ENSO 的合作,但該技術(shù)也可以立即提供相關(guān)的見(jiàn)解。例如,谷歌姊妹公司 DeepMind 的科學(xué)家在 2021 年進(jìn)行的一項(xiàng)研究展示了一種“臨近預(yù)報(bào)”算法,該算法將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于實(shí)時(shí)雷達(dá)數(shù)據(jù),以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來(lái)幾個(gè)小時(shí)內(nèi)的降水模式。

可以提前很好地預(yù)測(cè) ENSO 模式信號(hào)事件(例如臺(tái)風(fēng))

氣候研究人員也在使用人工智能來(lái)克服傳統(tǒng)的基于統(tǒng)計(jì)或物理學(xué)的氣候?qū)W方法的一些缺點(diǎn)。例如,深度學(xué)習(xí)算法可用于識(shí)別氣候建模的基本參數(shù),這些參數(shù)無(wú)法根據(jù)當(dāng)前知識(shí)或直接觀察準(zhǔn)確量化,例如海水混合或云的區(qū)域運(yùn)動(dòng)。人們甚至可以應(yīng)用人工智能來(lái)填補(bǔ)歷史氣候數(shù)據(jù)的空白。

迄今為止,大多數(shù)工作都集中在全球氣候的特定組成部分或區(qū)域要素上,但目前更大的、全球范圍的問(wèn)題仍然很大程度上超出了人工智能的范圍。這種規(guī)模的預(yù)測(cè)通常來(lái)自地球系統(tǒng)模型——基于對(duì)海洋、大氣和陸地生態(tài)系統(tǒng)中關(guān)鍵物理過(guò)程的理解的數(shù)學(xué)框架。Ham 表示,該領(lǐng)域“是應(yīng)用深度學(xué)習(xí)進(jìn)行氣候預(yù)測(cè)和氣候建模的未來(lái)”,盡管他指出,該領(lǐng)域的大部分初步工作尚未在準(zhǔn)確性方面得到強(qiáng)有力的評(píng)估或驗(yàn)證。

部分問(wèn)題在于,當(dāng)前的人工智能系統(tǒng)通常是在研究數(shù)據(jù)中的模式,而不是對(duì)物理現(xiàn)象的真正理解。除此之外,還難以追溯算法使用的過(guò)程以得出結(jié)論。漢姆說(shuō),他的團(tuán)隊(duì)在他們的工作中努力克服與這個(gè)問(wèn)題相關(guān)的懷疑?!拔覀儜?yīng)用了一種非常嚴(yán)格的驗(yàn)證方法來(lái)證明我們的深度學(xué)習(xí)模型確實(shí)超越了其他最先進(jìn)的預(yù)測(cè)系統(tǒng),”Ham 認(rèn)為,人工智能最終將改變氣候預(yù)測(cè)領(lǐng)域?!拔艺J(rèn)為未來(lái)非常光明?!?/p>

催化材料發(fā)現(xiàn)

過(guò)渡金屬元素,如鐵、銅和鉑,廣泛用于各種行業(yè)的化學(xué)加工和合成——部分原因在于它們獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu),適合催化。然而,材料科學(xué)家只觸及了眾多可能配方的表面,還有更多的化合物有待發(fā)現(xiàn),它們可以提供卓越的催化性能、更低的成本或更簡(jiǎn)單的生產(chǎn)方法。

美國(guó)麻省理工學(xué)院的計(jì)算化學(xué)家 Heather Kulik 是不斷壯大的研究人員社區(qū)的一員,他們正在使用 AI 算法來(lái)顯著加快材料發(fā)現(xiàn)和設(shè)計(jì)過(guò)程。在今年發(fā)表的一項(xiàng)研究中(A. Nandyet al.JACS Au2, 1200–1213; 2022),她的團(tuán)隊(duì)使用了一種稱為“主動(dòng)學(xué)習(xí)”的方法——人工智能算法使用自己的模型來(lái)識(shí)別可能導(dǎo)致進(jìn)一步提高性能——揭示可以有效地將甲烷轉(zhuǎn)化為甲醇的過(guò)渡金屬催化劑的結(jié)構(gòu)和化學(xué)特征。

Kulik 說(shuō):“我們搜索了大約 1600 萬(wàn)種候選催化劑。并且能夠在幾天到幾周內(nèi)提出設(shè)計(jì)原則,否則這需要幾十年的時(shí)間。這種催化劑很重要,因?yàn)樗鼈兛梢源龠M(jìn)甲烷(化石燃料和溫室氣體的主要成分)有效轉(zhuǎn)化為更通用和更有用的化學(xué)構(gòu)件?!?/p>

Kulik 將該領(lǐng)域的增長(zhǎng)部分歸功于開源工具包的開發(fā)激增,這些工具包使研究人員更容易在廣泛的物理化學(xué)特征上訓(xùn)練人工智能以發(fā)現(xiàn)潛在材料。盡管 Kulik 指出,獲取高質(zhì)量數(shù)據(jù)仍然是一個(gè)緊迫的問(wèn)題,但還有許多可公開訪問(wèn)的理論和實(shí)驗(yàn)衍生化學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)可以輸入這些算法?!拔艺J(rèn)為對(duì)于生成高質(zhì)量數(shù)據(jù)集需要什么達(dá)成共識(shí),”她說(shuō),并指出她的團(tuán)隊(duì)通常完全依賴內(nèi)部生成的數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練他們的算法。人工智能在這里也有其可能的用途;

目前,這些分析主要用于識(shí)別針對(duì)某一特定特性進(jìn)行優(yōu)化的材料,例如特定環(huán)境條件下的穩(wěn)定性。但現(xiàn)在“多目標(biāo)優(yōu)化”領(lǐng)域正在進(jìn)行有前途的工作,其中機(jī)器學(xué)習(xí)算法被用于研究化合物和結(jié)構(gòu),這些化合物和結(jié)構(gòu)同時(shí)在各種不同的參數(shù)上產(chǎn)生出色的性能。

Kulik 還熱衷于計(jì)算化學(xué)的新興領(lǐng)域,該領(lǐng)域使用算法來(lái)監(jiān)督 AI 建模過(guò)程本身的關(guān)鍵方面。這個(gè)想法是通過(guò)訓(xùn)練計(jì)算機(jī)識(shí)別質(zhì)量差的數(shù)據(jù)、不現(xiàn)實(shí)的材料或其他可能導(dǎo)致失敗的條件來(lái)消除典型的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的實(shí)驗(yàn)可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤開始和死胡同。

對(duì) Kulik 來(lái)說(shuō),這并不是要把人類專家排除在外,而是讓他們將更多的時(shí)間和精力投入到高質(zhì)量計(jì)算結(jié)果的分析中,“這樣博士生就不必把所有的時(shí)間都花在做乏味的事情”。

刮擦表面

即使是最偉大的藝術(shù)家也是從草稿開始的。對(duì)于列奧納多·達(dá)·芬奇這樣的大師來(lái)說(shuō),許多早期的努力都已被歷史遺忘,但復(fù)雜的成像技術(shù)和人工智能算法的結(jié)合使得挖掘隱藏在成品畫下的初步草圖成為可能。

英國(guó)倫敦國(guó)家美術(shù)館首席科學(xué)家 Catherine Higgitt 與倫敦帝國(guó)理工學(xué)院電氣工程師 Pier Luigi Dragotti 合作,發(fā)現(xiàn)了隱藏在 15 世紀(jì)后期達(dá)芬奇作品《圣母瑪利亞》中的天使和其他人物的蹤跡巖石。他們首先使用 X 射線熒光檢測(cè)與整個(gè)繪畫中某些顏料相關(guān)的元素,然后使用人工智能重建由這些顏料形成的隱藏圖案。

非侵入性成像正在成為藝術(shù)修復(fù)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)工具,但生成的數(shù)據(jù)量很快就會(huì)變得不堪重負(fù)?!拔覀兒苌僖蕾噯我患夹g(shù)。”Higgitt 說(shuō):“我們傾向于將信息拼湊在一起,因此您可能擁有一系列不同波長(zhǎng)的成像數(shù)據(jù)。這就是人工智能可以派上用場(chǎng)的地方:幫助集成和解釋復(fù)雜的數(shù)據(jù)集。”

De Goya 的Do?a Isabel de Porcel,在其下發(fā)現(xiàn)了另一幅肖像。

這些類型的人工智能輔助圖像分析現(xiàn)在在生物醫(yī)學(xué)成像等學(xué)科中相當(dāng)普遍,但博物館科學(xué)家通常缺乏計(jì)算資源和使用這些技術(shù)的專業(yè)知識(shí)。Higgitt 與英國(guó)一項(xiàng)名為 ARTICT 的研究計(jì)劃聯(lián)手,該計(jì)劃匯集了來(lái)自藝術(shù)界的專家和來(lái)自不同學(xué)科的計(jì)算專家。

今天,人工智能是 Higgitt 在國(guó)家美術(shù)館工作的常規(guī)組成部分,這使她的團(tuán)隊(duì)相對(duì)于大多數(shù)其他博物館處于最前沿,盡管她承認(rèn)“這仍然是非常初級(jí)的步驟”。

許多其他小組也展示了通過(guò)將算法分析應(yīng)用于藝術(shù)品可以獲得的見(jiàn)解。例如,俄羅斯比利時(shí)的研究人員已經(jīng)使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行“虛擬修復(fù)”,以數(shù)字方式修補(bǔ)裂縫,并在退化的畫作上填充缺失和褪色的油漆。位于美國(guó)俄亥俄州克利夫蘭的凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的另一個(gè)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種算法,可以幫助根據(jù)物理筆觸識(shí)別對(duì)給定作品負(fù)責(zé)的藝術(shù)家——甚至可能揭示贗品。

在她的學(xué)科中使用人工智能的早期階段,希吉特對(duì)它給予過(guò)多的信任持謹(jǐn)慎態(tài)度。她指出了檢查人工智能系統(tǒng)如何得出答案的困難,目前尚不清楚在一件藝術(shù)品上訓(xùn)練的算法在其他藝術(shù)品上的表現(xiàn)如何。她認(rèn)為它提供了數(shù)據(jù)的“第一次通過(guò)”,以幫助提取“專家——化學(xué)家、保護(hù)者或策展人——會(huì)回來(lái)審查的趨勢(shì)或信息”。

隨著進(jìn)展的繼續(xù),Higgitt 看到了令人興奮的機(jī)會(huì),讓人工智能改變策展人和公眾與藝術(shù)互動(dòng)的方式。希吉特說(shuō),這甚至可能包括重建藝術(shù)品“生活故事”的各個(gè)方面,讓觀眾“不僅了解一件作品最初可能位于的位置,還可以了解它在過(guò)去不同時(shí)間點(diǎn)的樣子” .

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