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AI怎樣助力基礎(chǔ)科研、加速產(chǎn)業(yè)落地?諾獎得主是這樣說的

發(fā)布時間 :2022-11-18 10:39:42


趙天潤、汪禎儀 | 撰文
復(fù)旦大學(xué) | 來源

從“阿爾法狗”(AlphaGo)到“阿爾法折疊”(AlphaFold),人工智能AI逐漸進(jìn)入大眾視野,成為深刻影響著基礎(chǔ)研究、前沿科技、產(chǎn)業(yè)變革、乃至我們?nèi)粘I畹臒狳c(diǎn)概念。

你知道AI并非一個新詞嗎?你知道人工智能正在影響著包括數(shù)學(xué)、物理學(xué)、生命科學(xué)等諸多領(lǐng)域前沿科學(xué)研究嗎?
11月15日,2013年諾貝爾化學(xué)獎得主、復(fù)旦大學(xué)復(fù)雜體系多尺度研究院榮譽(yù)院長邁克爾·萊維特(Michael Levitt),復(fù)雜體系多尺度研究院院長馬劍鵬,人工智能創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)研究院院長漆遠(yuǎn),浦江科學(xué)大師講壇首期三位報告人于講壇開講前匯聚一堂,為我們解答計算生物學(xué)、人工智能領(lǐng)域最前沿的問題。
01

“地球上最復(fù)雜的學(xué)科可能是生物學(xué)”

AI怎樣助力基礎(chǔ)科研、加速產(chǎn)業(yè)落地?諾獎得主是這樣說的(圖1)
生物學(xué)是非常復(fù)雜的,非常復(fù)雜的,是很多不同對象以非常多不同的方式相互作用”,被問到計算生物學(xué)是一門怎樣的學(xué)科時,萊維特連續(xù)說了兩遍“復(fù)雜”。在他看來,生物學(xué)要比物理、化學(xué)復(fù)雜得多,甚至可能比經(jīng)濟(jì)學(xué)還要復(fù)雜得多。他說:”地球上最復(fù)雜的學(xué)科可能是生物學(xué)?!?/span>

計算生物學(xué)又名定量生物物理學(xué),是用計算方法來解決生物學(xué)問題,雖是生物學(xué)的一個分支,但具有極強(qiáng)的學(xué)科交叉性?!?/span>觀察一個系統(tǒng),收集大量數(shù)據(jù),檢查數(shù)據(jù),確保數(shù)據(jù)無明顯錯誤,分析數(shù)據(jù),建立一個簡單的模型,使用這個模型來更好地理解這個系統(tǒng)并做出一些預(yù)測。”作為這個交叉學(xué)科的先驅(qū),萊維特認(rèn)為計算生物學(xué)始于DNA(脫氧核糖核酸)結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),就是使用不同的方法來理解從生物中獲得的數(shù)字。

專長于計算機(jī),又深耕生物學(xué),萊維特把計算生物學(xué)看成是一個更大的領(lǐng)域。在他看來計算生物學(xué)的核心就是,“如何處理復(fù)雜性,生物學(xué)的這種復(fù)雜性意味著你必須非常聰明,才能應(yīng)對復(fù)雜所帶來的壓力。
02

“事情永遠(yuǎn)不會像看起來那么糟糕,也永遠(yuǎn)不會像看起來那么好”


“AI是一個具有魅力的詞,也是一個很古老的詞”,1967年,萊維特在劍橋大學(xué)讀博時,就在圖書館看了很多相關(guān)內(nèi)容,在他看來,人工智能真正實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍是因?yàn)橛嬎銠C(jī)變得越來越強(qiáng)大。
計算生物學(xué)是最早使用計算機(jī)進(jìn)行研究的領(lǐng)域之一,計算機(jī)也一直與生物學(xué)有著緊密的聯(lián)系。“當(dāng)1959年,人類使用計算機(jī)解開第一個蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu),即血紅蛋白時,彼時世界上的第一臺電腦,才剛剛誕生10年而已。我認(rèn)為我們需要認(rèn)識到計算機(jī)已經(jīng)完全改變了。我告訴大家這款手機(jī)比世界上所有的電腦都重要”,說著他向在場的人揮了揮他手中的智能手機(jī)。

但人工智能并不是一個魔術(shù),也不是一種魔法,它包含著算法、計算等等這些技術(shù),所以從這個角度說,其實(shí)人工智能也是計算機(jī)算法中的一個組成部分。

“事情永遠(yuǎn)不會像看起來那么糟糕,也永遠(yuǎn)不會像看起來那么好。而人工智能并不是神奇的東西,它并不總是有效”,萊維特舉例說,當(dāng)一個人既會英語又懂中文,那對他來說語言間的轉(zhuǎn)換,是很簡單的事情。但如果用機(jī)器去翻譯的話,有時就會很糟糕,甚至聽起來很怪異,他回憶起一個月前的某個論壇上,一位非母語英語發(fā)言者,用著帶有濃重口音的英文進(jìn)行演講時,人工智能翻譯機(jī)就無法識別出他的講話內(nèi)容,這讓萊維特印象很深刻,“所以人工智能不一定在所有的事情上面都能夠取代人類,或者說能夠做得跟人一樣好。目前的人工智能技術(shù)并不能完全地應(yīng)對個性化的問題,還需要一些突破。” 
03

“AlphaFold是很棒的統(tǒng)計技術(shù),但不是一種數(shù)據(jù)創(chuàng)造技術(shù)”


已經(jīng)能夠預(yù)測超過100萬個物種的2.14億個蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),幾乎涵蓋了地球上所有已知蛋白質(zhì),被稱為改變游戲規(guī)則的科學(xué)突破——AlphFold,可以說是計算生物界的大明星。人們認(rèn)為它解決了蛋白質(zhì)折疊問題,在結(jié)構(gòu)預(yù)測上向前邁了一大步。
“AlphaFold以一種強(qiáng)大的方式結(jié)合所有數(shù)據(jù)和方法,讓人類到達(dá)以前從未涉足的未知領(lǐng)域?,F(xiàn)在非常重要的是要認(rèn)識到,如果沒有70多年來幾十萬個實(shí)驗(yàn)科學(xué)和15個諾貝爾獎所獲得的數(shù)據(jù),加之人們所使用過的方法論,那么將是一無所有。AlphaFold仍舊完全依賴于所有這些已經(jīng)被獲取的數(shù)據(jù)?!比R維特提醒說,“這是一種很棒的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析技術(shù),但它不是一種數(shù)據(jù)創(chuàng)建技術(shù)”。
04

“希望科學(xué)能讓更多人理解”


希望科學(xué)能讓更多人理解”,是萊維特選擇在浦江科學(xué)大師講壇開講的原因。對于今天的報告,他也精心制作了近140張幻燈片,而這些的背后,他想說明的一個核心問題就是,“何謂科學(xué)”。
雖然與同臺演講的馬建鵬已熟識近30年,但二人卻做著不同的事情。對萊維特來說,能夠把來自同一所大學(xué)從事不同領(lǐng)域研究的科學(xué)家聚集起來進(jìn)行一場大型的對話是一個非常好的主意。他也希望這個講壇能繼續(xù)下去?!斑@是一件非常特別且重要的事情。”
05

“人工智能就是新時代的望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、雷達(dá)”

AI怎樣助力基礎(chǔ)科研、加速產(chǎn)業(yè)落地?諾獎得主是這樣說的(圖2)
“人工智能開啟未來的科研”,漆遠(yuǎn)教授在采訪中提出,就像伽利略發(fā)明望遠(yuǎn)鏡、列文虎克發(fā)明顯微鏡一樣,“人工智能就是這個新時代的望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、雷達(dá)”,能讓我們看到更遠(yuǎn)的地方,也能讓我們看到更小的細(xì)微之處。

人工智能將在可預(yù)見的未來,能對基礎(chǔ)研究方法帶來全方位的助力提升。包括但不限于生命科學(xué)、材料科學(xué)、新藥研發(fā)、數(shù)學(xué)研究、大氣科學(xué)乃至金融經(jīng)濟(jì)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科研究領(lǐng)域。
06

“每個人都可以看作一臺計算機(jī)”


“每個人都可以看作一臺計算機(jī),‘硬盤’是父母給的?!逼徇h(yuǎn)用一個生動的比喻向我們解釋什么是“計算生物學(xué)”。
就像計算機(jī)編碼使用的是由"0"和"1"組成的二進(jìn)制數(shù)一樣,人體DNA中的ATCG的堿基序列就是人類一切生命活動的編碼語言。ATCG堿基序列排列組合構(gòu)成DNA,DNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生蛋白質(zhì),蛋白質(zhì)的互相結(jié)合變成網(wǎng)絡(luò),組成機(jī)體并調(diào)控著復(fù)雜的生命活動。但最底層的生命邏輯其實(shí)還是ATCG堿基序列構(gòu)成的復(fù)雜信息網(wǎng)絡(luò)——要想解碼人類基因,對生命微觀結(jié)構(gòu)的研究必不可少。

那么,如何知道微觀結(jié)構(gòu)是如何對宏觀產(chǎn)生影響的呢?龐大的基因片段、復(fù)雜的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中,究竟是哪一部分起到關(guān)鍵作用?其中的關(guān)鍵聯(lián)系,如今可以由人工智能在學(xué)習(xí)、對比龐大的數(shù)據(jù)后給出可靠預(yù)測,大大縮減以往所需的時間、金錢成本。
07

“人工智能賦能科學(xué)發(fā)現(xiàn),用原始創(chuàng)新推進(jìn)科創(chuàng)發(fā)展”


人工智能正在切實(shí)推進(jìn)助力科研的發(fā)展。“隨著生命科學(xué)數(shù)據(jù)采集成本降低,人工智能在其中扮演越來越重要的角色。”漆遠(yuǎn)指出,今天人工智能在多個領(lǐng)域的大放異彩,得益歸功于過去的數(shù)十年內(nèi),計算機(jī)算力的大幅提升,以及數(shù)據(jù)測量采集技術(shù)逐漸成熟后帶來的成本大幅降低。同時他也提示“人工智能需要數(shù)據(jù),同時也要研究如何結(jié)合其它基礎(chǔ)模型,并‘教會’人工智能學(xué)會自我提升、自我凈化。”
同時,漆遠(yuǎn)強(qiáng)調(diào)“AI for science is not just about basic research(AI助力科研不僅事關(guān)基礎(chǔ)研究)”,更要將人工智能與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用結(jié)合起來,用原始創(chuàng)新推進(jìn)科創(chuàng)發(fā)展,讓人工智能和產(chǎn)業(yè)的結(jié)合推動底層的科研,用底層創(chuàng)新推動行業(yè)發(fā)展,順應(yīng)時代國家大趨勢。


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