人工智能不僅僅在改變?nèi)藗兊纳罘绞?也在改變科學(xué)家做研究的方式

人工智能不僅僅在改變?nèi)藗兊纳罘绞剑苍诟淖兛茖W(xué)家做研究的方式。

近日，北京大學(xué)人民醫(yī)院在其官網(wǎng)宣布，該院研究團(tuán)隊(duì)利用人工智能方法協(xié)助確定中國(guó)及美國(guó)初步診斷糖尿病人群的糖尿病分型，為糖尿病的精準(zhǔn)治療提供了理論依據(jù)。

人工智能學(xué)會(huì)下圍棋、沖咖啡、打乒乓球就已賺足人氣，干嘛要做協(xié)助確定糖尿病分型這種深?yuàn)W的事情呢？因?yàn)?，科學(xué)家需要它們。

正在成為得力助手

2018年12月第一期雜志封面，向人們介紹了一位“數(shù)字神童”——史上最強(qiáng)棋圣“阿爾法零”。作為兩年前驚艷亮相的人工智能“阿爾法圍棋”進(jìn)化版，“阿爾法零”不但征服了圍棋，而且僅分別“自學(xué)”2小時(shí)和4小時(shí)后，就擊敗最強(qiáng)的日本將棋和國(guó)際象棋人工智能程序。

“阿爾法零”的飛速成長(zhǎng)，代表了2018年人工智能的進(jìn)步。在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、超級(jí)計(jì)算和腦科學(xué)等新理論新技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下，問(wèn)世60余年、遭遇多次質(zhì)疑的人工智能迎來(lái)新一輪發(fā)展熱潮，真正進(jìn)入了落地實(shí)踐階段：各國(guó)新政密集出臺(tái)、科技巨頭紛紛布局、最新進(jìn)展日新月異……一個(gè)“新智能時(shí)代”正在到來(lái)。

“阿爾法”系列人工智能不僅在棋牌領(lǐng)域打遍人類無(wú)敵手，最新的“阿爾法折疊”還能有效預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，并在12月初的一個(gè)國(guó)際競(jìng)賽中擊敗眾多對(duì)手奪冠。研制“阿爾法”系列程序的英國(guó)“深層思維”公司發(fā)表聲明說(shuō)，這“證明人工智能可驅(qū)動(dòng)和加速科學(xué)新發(fā)現(xiàn)”。

從科研成果看，人工智能正在眾多領(lǐng)域“開(kāi)疆辟土”，醫(yī)療健康領(lǐng)域首當(dāng)其沖。過(guò)去一年，從確定藥物分子結(jié)構(gòu)到提高藥物開(kāi)發(fā)效率，從早期癌癥診斷到預(yù)測(cè)腫瘤發(fā)展，都可以看到人工智能在發(fā)揮作用。比如，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的一項(xiàng)人工智能成果，能比醫(yī)生診斷提早6年預(yù)測(cè)出阿爾茨海默病；美國(guó)斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家開(kāi)發(fā)出一種人工智能程序，只用幾個(gè)小時(shí)就“重新發(fā)現(xiàn)”了元素周期表；科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始利用人工智能研究地震、海嘯的預(yù)防。

在應(yīng)用上，美國(guó)醫(yī)療管理機(jī)構(gòu)已批準(zhǔn)了首個(gè)人工智能醫(yī)療器械，用于篩查糖尿病性視網(wǎng)膜病變；阿里云正利用人工智能幫助馬來(lái)西亞首都吉隆坡“治堵”；日本警方將對(duì)預(yù)防犯罪的人工智能系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試；人工智能還成為體育界智囊，幫助運(yùn)動(dòng)員磨煉技能，提高比賽成績(jī)……

總體看，超強(qiáng)的計(jì)算能力、與日俱增的海量數(shù)據(jù)以及不斷涌現(xiàn)的優(yōu)秀算法三者結(jié)合，驅(qū)動(dòng)人工智能加速發(fā)展，逐漸“脫虛向?qū)崱薄?a target="_blank">知名咨詢公司普華永道發(fā)布的報(bào)告顯示，到2030年，人工智能將給全球國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值帶來(lái)14％的增長(zhǎng)，相當(dāng)于15．7萬(wàn)億美元。

努力擁抱人工智能

其他領(lǐng)域的科研人員也在努力擁抱人工智能。南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院教授李濤正嘗試將深度學(xué)習(xí)算法應(yīng)用在超構(gòu)光子技術(shù)領(lǐng)域。

在過(guò)去的幾百年甚至上千年的時(shí)間中，人們對(duì)光學(xué)的理解大都停留在宏觀層面，而隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，特別是21世紀(jì)以來(lái)微納加工技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)家們開(kāi)始關(guān)注微納尺度之下光的激發(fā)和傳播性質(zhì)。因?yàn)樵谠摮叨认拢牧辖Y(jié)構(gòu)尺寸已接近甚至小于光的波長(zhǎng)，利用這些結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)自然材料所不具有的新穎光學(xué)效應(yīng)和功能，這吸引了眾多科學(xué)家的研究興趣。而李濤研究的核心內(nèi)容也是從這一方向展開(kāi)的。

李濤與微納光學(xué)研究領(lǐng)域的結(jié)緣是一個(gè)在不斷嘗試中發(fā)現(xiàn)自我的過(guò)程。在研究過(guò)程中李濤關(guān)注到了納米尺度下一些新穎的光學(xué)現(xiàn)象，比如制備納米線所用的多孔氧化鋁模板的熒光效應(yīng)，在填充介質(zhì)后光譜的變化等。在強(qiáng)烈好奇心的驅(qū)使下，李濤在博士論文的收尾階段就獨(dú)自開(kāi)始了納米光子學(xué)方向的探索。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間調(diào)研后，李濤被負(fù)折射率材料的研究所吸引。負(fù)折射率材料是違反自然界材料的一種新穎的人工結(jié)構(gòu)材料，它的核心原理可以通過(guò)構(gòu)建一種人工磁性的負(fù)磁響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

李濤組建了一套用于觀察研究表面等離激元在金屬表面?zhèn)鞑バ再|(zhì)的實(shí)驗(yàn)裝置，并發(fā)展創(chuàng)新了表面波調(diào)控方法，在2011年前后取得了一系列重要研究成果。其中，李濤研究組實(shí)現(xiàn)的表面等離激元艾里波束，受到了國(guó)內(nèi)外科研界的廣泛關(guān)注。緊隨其后，李濤研究組又做出了等離激元聚焦、波分復(fù)用、準(zhǔn)直波束、空間艾里光束等研究。近年來(lái)，他們還以此發(fā)展出近場(chǎng)全息技術(shù)，得到了領(lǐng)域內(nèi)的廣泛關(guān)注。

近十年來(lái)，李濤領(lǐng)導(dǎo)的科研小組一直專注于表面等離激元光學(xué)、人工超構(gòu)材料的研究，取得了一系列優(yōu)秀的科研成果，多篇論文發(fā)表在《自然—通訊》《物理評(píng)論快報(bào)》《納米快報(bào)》等國(guó)際重要刊物上。

表面等離激元（SPP）是一種存在金屬與介質(zhì)界面的電磁模式，具有亞波長(zhǎng)傳播和局域場(chǎng)增強(qiáng)的特性，因而受到人們的青睞，是微納尺度下進(jìn)行光子操縱和集成的優(yōu)良載體，在高靈敏生物檢測(cè)、傳感和新型光源等領(lǐng)域獲得了廣泛重視。因而，對(duì)其基本物理性質(zhì)的研究具有重要的意義。

2017年，李濤研究組在等離激元波空間輻射全息成像方面又獲得新進(jìn)展。成功通過(guò)傳播的表面等離激元與空間的全息目標(biāo)光場(chǎng)干涉，獲得可實(shí)現(xiàn)多個(gè)成像目標(biāo)復(fù)用的全息圖，并可通過(guò)不同傳播方向的等離激元波激發(fā)將其讀出重構(gòu)出來(lái)。該方法突破了傳統(tǒng)偏振復(fù)用全息僅有的兩個(gè)正交態(tài)的限制，獲得了四重?zé)o串?dāng)_的全息圖樣。雖然這一工作以全息成像作為演示結(jié)果，但其更重要的意義在于將表面等離激元面內(nèi)傳播與空間多維光場(chǎng)調(diào)控結(jié)合了起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了倏逝波的信息與空間光場(chǎng)信息進(jìn)行有效轉(zhuǎn)換。這一全新的光場(chǎng)調(diào)控思路將為微納尺度下的光子技術(shù)開(kāi)拓了新的方案和研究平臺(tái)。

人工智能和大數(shù)據(jù)，是有機(jī)結(jié)合體？

不過(guò)，目前來(lái)看，像“阿爾法折疊”這樣針對(duì)特定科研領(lǐng)域的人工智能應(yīng)用鳳毛麟角。普通科學(xué)家要想得心應(yīng)手地用上人工智能這個(gè)工具，還是有一定門檻。

如今，我們每個(gè)人都在談?wù)摗叭斯ぶ悄埽髷?shù)據(jù)”，新一代人工智能技術(shù)引領(lǐng)下的智能制造系統(tǒng)，是‘互聯(lián)網(wǎng)＋大數(shù)據(jù)＋人工智能＋’時(shí)代的一種智能制造新模式、新手段和新業(yè)態(tài)。

“互聯(lián)網(wǎng)＋大數(shù)據(jù)＋人工智能＋”時(shí)代需要?jiǎng)?chuàng)新、綠色、開(kāi)放、共享、個(gè)性。這個(gè)時(shí)代的核心技術(shù)，主要包括7類新技術(shù)深度融合的綜合性技術(shù)，特別是新的互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等等。其中新互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)、天地一體化網(wǎng)、未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)等），新信息通信技術(shù)（如云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、5G、高性能計(jì)算、建模／仿真、量子計(jì)算等技術(shù)）與新人工智能技術(shù)（基于大數(shù)據(jù)智能、群體智能、人機(jī)混合智能、跨媒體推理、自主智能等技術(shù)）的飛速發(fā)展，正引發(fā)國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)計(jì)民生和國(guó)家安全等領(lǐng)域新模式、新手段和新生態(tài)系統(tǒng)的重大變革。

人工智能技術(shù)應(yīng)用新階段

20世紀(jì)90年代至今，重大變革的信息新環(huán)境、技術(shù)和人類社會(huì)發(fā)展的新目標(biāo)正催生人工智能技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)入一個(gè)新的進(jìn)化階段：

第一，要圍繞制造強(qiáng)國(guó)重大需求，協(xié)調(diào)推進(jìn)基于新一代人工智能技術(shù)的智能制造的技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用發(fā)展。

從總體上講，我國(guó)制造業(yè)正面臨加快推進(jìn)“五個(gè)轉(zhuǎn)型”的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。我國(guó)智能制造的技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用等方面還處于起步階段。所以，需要貫徹“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享”的發(fā)展理念，以創(chuàng)新發(fā)展為主題，以促進(jìn)制造業(yè)提高質(zhì)量增加效益為中心，以加快新一代人工智能技術(shù)與制造業(yè)深度融合為主線，協(xié)調(diào)發(fā)展自主的智能制造技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用，通過(guò)30年／3個(gè)階段的努力奮斗，實(shí)現(xiàn)從制造大國(guó)發(fā)展為制造先進(jìn)強(qiáng)國(guó)的宏偉戰(zhàn)略目標(biāo)。

第二，要基于新一代人工智能技術(shù)，推進(jìn)智能制造技術(shù)的集成應(yīng)用及其制造模式。

要部署實(shí)施一批跨企業(yè)（行業(yè)／區(qū)域）、企業(yè)級(jí)、車間級(jí)和制造單元級(jí)等不同層次智能制造系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用示范，推進(jìn)基于新一代人工智能技術(shù)的智能制造關(guān)鍵技術(shù)裝備、核心支撐軟件、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等系統(tǒng)集成應(yīng)用，推廣流程智能制造、離散智能制造、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造、遠(yuǎn)程診斷與運(yùn)維服務(wù)等新型制造模式。

第三，要基于新一代人工智能技術(shù)，推進(jìn)制造全生命周期活動(dòng)的智能化。

要圍繞離散制造全生命周期活動(dòng)的智能化發(fā)展需求，部署實(shí)施基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)群體智能的個(gè)性化創(chuàng)新設(shè)計(jì)、協(xié)同研發(fā)群智空間、智能云生產(chǎn)、智能協(xié)同保障與供應(yīng)營(yíng)銷服務(wù)鏈等應(yīng)用示范；圍繞流程制造全過(guò)程、全流程活動(dòng)的智能化發(fā)展需求，部署實(shí)施基于新一代人工智能技術(shù)的流程工業(yè)智能感知、智能建模、智能控制、智能優(yōu)化與智能運(yùn)維等應(yīng)用示范；圍繞我國(guó)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略和提升我國(guó)制造業(yè)自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力的重大需求，部署實(shí)施服務(wù)于從概念創(chuàng)意到研發(fā)、生產(chǎn)、試驗(yàn)、服務(wù)等全產(chǎn)業(yè)鏈的大數(shù)據(jù)智能創(chuàng)新設(shè)計(jì)和群智眾創(chuàng)設(shè)計(jì)等典型示范。

第四，要加快建立和發(fā)展基于新一代人工智能技術(shù)的我國(guó)自主智能制造技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、使能產(chǎn)品和系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)等產(chǎn)業(yè)。