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构建DARPA的“头脑”

  美国的《IEEE智能系统》杂志7/8月刊发表了美国国防高级研究计划局(DARPA)下属的国防科学办公室的代理主任威廉 C. 雷格利撰写的一篇题目为《构建DARPA 的‘头脑’》的文章,阐述了DARPA所进行的运用计算机“头脑”的社会技术改革。
 
  文章称,DARPA在追寻科学和工程奇迹的过程中,对于基础研究的支持已经有近60年的历史。如今DARPA的科学家们的研究项目极为广泛,包括了解光量子探测的极限,控制多个量级的空间规模的材料结构设计,以城市规模的高度先进的传感器网络探测恐怖分子的核材料等等。在最近的10年里,DARPA的许多项目结构都有一个主要趋势,就是以计算机技术和数据作为创新的中心工具,研究人员将它们与分析学和软件结合起来,重新考虑一些由来已久的问题。这样一来,一些过去看来难以解决的复杂问题就变成了相当容易解决的问题。近来,计算机技术、数据和软件技术的组合更是开始显示出艾萨克•阿西莫夫所描述的“头脑”的特征。
 
  阿西莫夫在他的短篇故事丛书《我,机器人》中所描述的“头脑”是工程师们用来设计其他机器的机器。“头脑”不仅具有超群的计算技艺,而且具有关联和推断能力,因此能够使工程师们设计更为复杂的系统。于是就出现了这样的悖论,即“头脑”设计的东西超出了其主人的理解能力,从而产生了对于能够懂得这些机器的行为和理论基础的机器人心理学家的需求。贯穿于阿西莫夫的许多作品中的主题是从人类驱动的创造转变为以人类加机器为中心的创造。DARPA目前正在开始进行同样的社会技术改革,具有巨大的影响。文章接着列举了几个DARPA正在创造技术的例子。
 
  合成化学的主要任务就是通过一系列的化学反应将原材料转化为有用的物质,例如药物和洗涤剂。探求其化学反应路径的过程是一个由人类的理解力、经验和运气所驱动的过程。许多有用的物质,例如聚四氟乙烯和超级胶,都是偶然发现的。现在,化学家可以利用计算机和庞大的化学数据资料库来设计和合成具有复杂的分子结构与预先确定的高级功能性质的物质。DARPA 的制造计划就是要将分子合成过程转变为化学家的需求和人工智能相结合来认识化学反应的组合,探求新的化学反应路径和自动计划新分子物质生产的过程。
 
  新的科学出版物的数量每年有数百万之多,已有的出版物总数更是极为庞大。可以设想一名数字实验室助手能够阅读这些数以千万计的论文并明白其间的联系,同时能够与人类进行技术交流。DARPA的重大机制计划就是要使计算机通过机器阅读技术能够理解在癌症研究这个重要领域的科学情景,可以预想计算机系统能够帮助科学家和医生设计新的实验并最终弄清楚癌蛋白质相互作用的整个情景。没有计算机系统的帮助,光靠人类和人的团队是无法做到这些的。
 
  再回头看看0的发现和从罗马数字到阿拉伯数字的转变,数学的发展总会带动科学认知的前进。就如同牛顿发明的微积分学为开普勒行星运动定律提供了数学抽象概念一样,DARPA 的简化复杂的科学发现(SIMPLEX)计划旨在为数据驱动的发现创造新的数学和算法抽象概念。计划的执行团队正在运用新的数学形式解决在基因学、人类学、材料科学等诸多领域的各种问题。
 
  新的制造技术,例如增材制造和集成计算材料工程(ICME),使得设计者能够在从小如接近原子规模到大如帝国大厦规模的广大范围内,控制材料的结构。如今,体积为1立方米的 3D 打印平台即使采用单一材料也有可能具体表达多达1x1015的不同配置,而其中只有一小部分是可能有用的。对于这种无比广阔的设计空间来说,用传统的设计技术来解决问题是毫无希望的。DARPA的转换设计(TRADES)计划旨在将设计看成是人机对话过程,设计者与计算机助手协同工作,在复杂的空间探求意想不到的新配置。这代表了设计人员在系统中的角色变化,如果成功的话,就会加速创新的步伐。
 
  在所有这些计划中,DARPA都是通过创新技术来解决新型的人机问题,创造的重任不再是由科学家和工程师独立承担,而是转由不能分离的人机团队共同承担。目前,这样的转变正在加速。从抗生素抵抗和新型传染病问题到气候、能源、食物、水源和共享经济问题,我们的认知似乎达到了一个停滞时期,能否继续取得进步似乎取决于我们驾驭机器的能力,那些机器能够帮助我们更快更好地思考。
 
  文章最后说,就如同早期的计算机网络最终导致了互联网一样,DARPA正在将一些技术要素置于适当位置,以构成人机发现团队。现在是由其他社团和组织机构参与进来,并且加速相关努力的时候了。然而,如今所面临的挑战是转向一种全新的由计算机来加速的发现过程必然会搅乱过去400多年来科学家和工程师的习惯做法,经由机器学习所“发现”的科学模型可能会挑战解释,计算机模拟可能会取代解析方程,诊断建议可能会使医生团队产生困惑。我们的新设想应该是什么?我们如何信赖和证实所得到的结论?我们与这种新“头脑”的关系是什么?诸如此类的问题目前尚无明确的答案,但是我们共同的未来要取决于我们找到答案的意愿。(李洪兴)
 
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