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當人工智能與科學(xué)研究“碰撞”，能產(chǎn)生多大的能量？前不久，2024年諾貝爾物理學(xué)獎和化學(xué)獎授予人工智能相關(guān)研究的學(xué)者，引起了極大的關(guān)注。近年來，我國科學(xué)家也在多個領(lǐng)域探索“人工智能驅(qū)動的科學(xué)研究”，利用人工智能技術(shù)縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)成本，人工智能技術(shù)與科學(xué)研究加速融合。
電解液，被稱為電池的“血液”，其設(shè)計是尋找到下一代電池的關(guān)鍵之一。然而，電解液材料分子組合浩如煙海，逐一篩選效率非常低。借助人工智能手段，科研人員有了快速開發(fā)電解液材料的新方法。
“人工智能驅(qū)動的科學(xué)研究”是以機器學(xué)習(xí)為代表的人工智能技術(shù)與科學(xué)研究深度融合的產(chǎn)物，當前已成為全球科學(xué)研究的前沿。今年的諾貝爾物理學(xué)獎和化學(xué)獎授予人工智能相關(guān)研究的學(xué)者，表明人工智能在科學(xué)研究上的作用越發(fā)顯著。
圖靈獎得主、中國科學(xué)院院士姚期智最近在騰訊新基石科學(xué)基金會和南方科技大學(xué)共同舉辦的一場青年科學(xué)家論壇上，以“人工智能的科學(xué)視角”為題進行了分享。他認為，人工智能科學(xué)未來發(fā)展將呈現(xiàn)兩大趨勢，一是從弱智能走向通用智能，二是為學(xué)科間的交叉賦能，如具身智能、AI仿生、AI+量子等新技術(shù)、新應(yīng)用將大量涌現(xiàn)。
變 化
帶動科研范式從經(jīng)驗主導(dǎo)向數(shù)據(jù)驅(qū)動轉(zhuǎn)型
隨著新能源產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，人們對電池性能的要求越來越高，而電解液對于電池理論性能的發(fā)揮起著關(guān)鍵作用。清華大學(xué)化學(xué)工程系教授張強與副研究員陳翔合作，帶領(lǐng)團隊提出了“人工智能設(shè)計鋰電池電解液”的新方法，實現(xiàn)了先進電解液的高效設(shè)計開發(fā)。
在數(shù)據(jù)方面，團隊開發(fā)了電解液高通量計算方法與軟件，構(gòu)建了領(lǐng)先的數(shù)據(jù)庫，涵蓋25萬種以上的電解液分子結(jié)構(gòu)；在算法方面，團隊開發(fā)了領(lǐng)域知識嵌入的電解液大模型及軟件平臺，可以實現(xiàn)億量級分子空間維度的電解液分子性質(zhì)快速預(yù)測與精準定向設(shè)計。陳翔說，基于這些工具，科研人員可以根據(jù)用戶需求開發(fā)最合適的電解液。
人工智能與科學(xué)研究的深度融合，既提升了人工智能應(yīng)用水平，也帶動了科學(xué)研究范式從經(jīng)驗主導(dǎo)向數(shù)據(jù)驅(qū)動轉(zhuǎn)型。
對人工智能技術(shù)帶來的變革，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所研究員、國家南繁研究院副院長李慧慧同樣感受深切。
“常規(guī)育種方法依賴經(jīng)驗，耗時長，且對表現(xiàn)型容易受環(huán)境影響性狀的改良效率較低。通過人工智能算法，科研人員能夠在育種家進行田間試驗前，快速預(yù)測作物田間表現(xiàn)，大大縮短育種周期。”李慧慧說。
全球約1750個植物種質(zhì)庫保存著超700萬份種質(zhì)資源，受限于分析工具，許多珍貴的遺傳資源尚未得到充分利用。“人工智能輔助的基因組選擇能在幾周內(nèi)分析上百萬基因型，極大提升了育種流程效率和精度，應(yīng)用潛力巨大。”李慧慧說。
應(yīng) 用
縮短周期、降低成本，人工智能賦能科研向深度、廣度拓展
專家表示，物理、化學(xué)、材料等學(xué)科，是典型的理論和實驗相結(jié)合的領(lǐng)域。布局人工智能驅(qū)動的科學(xué)研究，有助于增強基礎(chǔ)研究的比較優(yōu)勢。
近年來，人工智能技術(shù)與科學(xué)研究加速融合，正不斷向深度和廣度拓展。張強介紹，2011年左右，國際上嘗試將人工智能技術(shù)用于材料開發(fā)。近些年，數(shù)據(jù)驅(qū)動的材料學(xué)研究顯著提速。
“目前，人工智能已經(jīng)應(yīng)用到電池研究的各個領(lǐng)域，涉及電池工作機理探究、新材料開發(fā)等諸多方面。”張強認為，人工智能在處理海量數(shù)據(jù)等方面優(yōu)勢顯著，與電池理論、實驗研究方法進一步結(jié)合，將有力推動下一代高比能電池、固態(tài)電池、快充電池、寬溫域電池等的開發(fā)與迭代。
利用人工智能技術(shù)研究鋰電池，我國總體上處于國際第一梯隊，一些成果受到科學(xué)界廣泛關(guān)注。比如，電子科技大學(xué)團隊開發(fā)了高比能鋰金屬電池狀態(tài)估計與壽命預(yù)測的機器學(xué)習(xí)方法，指導(dǎo)設(shè)計了延長電池使用壽命的方法；中國科學(xué)院物理研究所團隊與張強/陳翔團隊合作，結(jié)合機器學(xué)習(xí)模型與高通量篩選，開發(fā)了寬溫域電解液新分子。
不僅是材料研發(fā)，在生命科學(xué)、藥物研發(fā)、半導(dǎo)體、環(huán)境科學(xué)等多個領(lǐng)域，科學(xué)家都在探索利用人工智能技術(shù)，縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)成本。
近年來，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院加速推進農(nóng)業(yè)科技與人工智能技術(shù)融合創(chuàng)新，在生物育種、智能農(nóng)機裝備等領(lǐng)域組建交叉學(xué)科團隊。如今，李慧慧帶領(lǐng)團隊致力于開發(fā)基于深度學(xué)習(xí)算法的基因組選擇模型、全流程智慧育種平臺等算法工具，進而提升水稻、玉米、小麥等主糧作物的育種效率。“我們在智慧育種上初步取得了一些成果。比如，利用機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)算法深度融合基因組、轉(zhuǎn)錄組和表型數(shù)據(jù)，識別出控制作物抗逆和高產(chǎn)的關(guān)鍵基因。”李慧慧說。
推動人工智能與科學(xué)研究融合，技術(shù)支撐平臺很重要。上海交通大學(xué)人工智能研究院常務(wù)副院長楊小康說，為幫助更多老師使用人工智能輔助科研，學(xué)校和百度智能云聯(lián)合打造了人工智能驅(qū)動的科學(xué)研究平臺，實現(xiàn)了生成式人工智能與科研場景的結(jié)合?；诎俣戎悄茉铺峁┑乃懔?、大模型開發(fā)工具鏈等能力，科研人員在化學(xué)合成、流體計算、城市科學(xué)、法律等優(yōu)勢學(xué)科開展研究，取得了一系列突破成果。
以抗艾滋病病毒（HIV）小分子設(shè)計為例，上海交通大學(xué)人工智能研究院總工程師金耀輝介紹，過去篩選先導(dǎo)化合物需要2到3年，基于人工智能驅(qū)動的科學(xué)研究平臺，科研人員2分鐘內(nèi)就生成超過25萬個全新分子，并在30分鐘內(nèi)進一步篩選出172個潛在有效的分子，大幅提升分子設(shè)計的迭代效率。
展 望
推動人工智能驅(qū)動的科學(xué)研究，釋放應(yīng)用潛力
2023年2月，科技部會同國家自然科學(xué)基金委啟動了“人工智能驅(qū)動的科學(xué)研究”專項部署工作，緊密結(jié)合數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、天文等基礎(chǔ)學(xué)科關(guān)鍵問題，圍繞新藥創(chuàng)制、基因研究、生物育種、新材料研發(fā)等重點領(lǐng)域科研需求，布局前沿科技研發(fā)體系，推動人才聚集與國際交流合作。
如何推動人工智能與科學(xué)研究更好融合？
在陳翔看來，數(shù)據(jù)和模型是兩大關(guān)鍵因素，“我國鋰電池產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，與電池前沿研究相互促進，為人工智能研究奠定了深厚的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，這是重要的優(yōu)勢。”
李慧慧表示，將人工智能應(yīng)用到作物育種上，我國在一些領(lǐng)域展現(xiàn)出強勁的競爭力，但相比國際先進水平，在高質(zhì)量數(shù)據(jù)的積累、開放共享上仍存在一定差距。“必須更好地整合跨學(xué)科、跨團隊的數(shù)據(jù)資源，優(yōu)化算法性能，并擴大人工智能技術(shù)的應(yīng)用范圍。”她建議。
“人工智能技術(shù)更好助力科研，離不開算力支撐，需要構(gòu)建高效穩(wěn)定的人工智能異構(gòu)算力底座。”楊小康說，學(xué)校接下來將升級平臺能力，努力開創(chuàng)人工智能與科研場景相結(jié)合的創(chuàng)新示范。
受訪專家建議，需要加強相關(guān)學(xué)科與人工智能交叉領(lǐng)域的復(fù)合型人才培養(yǎng)。“可以通過鼓勵不同學(xué)科背景深度合作，引導(dǎo)開展交叉研究，發(fā)現(xiàn)研究的真問題、痛點和難題，釋放人工智能應(yīng)用的潛力。”張強說。
陳翔提醒，一些國家在人工智能大模型開發(fā)、專用芯片開發(fā)等方面占據(jù)主導(dǎo)，推動我國“人工智能驅(qū)動的科學(xué)研究”持續(xù)健康發(fā)展，還需要努力補上這些方面的短板。
近年來，我國“人工智能驅(qū)動的科學(xué)研究”發(fā)展很快，一些領(lǐng)域逐漸走向國際前沿，不久有望實現(xiàn)更多有價值的突破。張強/陳翔團隊正著力打通從人工智能設(shè)計電解液到投入產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的完整鏈條，李慧慧和團隊將重點推進作物雜交種基因組選擇以及環(huán)境適應(yīng)性預(yù)測模型的開發(fā)。“我們對未來研究充滿信心。”他們說。
