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智庫(kù)觀察

OBSERVER

科學(xué)智能（AI for Science，AI4S）是當(dāng)前人工智能（AI）應(yīng)用發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)方向。2024年4月29日，美國(guó)總統(tǒng)科學(xué)技術(shù)顧問委員會(huì)（PCAST）組織美國(guó)領(lǐng)域內(nèi)權(quán)威專家，發(fā)布了《賦能研究：利用人工智能應(yīng)對(duì)全球挑戰(zhàn)》報(bào)告（下文簡(jiǎn)稱《報(bào)告》）。該報(bào)告提出AI4S發(fā)展的“三角”模型，詳細(xì)分析了AI4S的發(fā)展?jié)摿Α⒅攸c(diǎn)領(lǐng)域和面臨的挑戰(zhàn)，并為美國(guó)總統(tǒng)提供了清晰的建議。

《報(bào)告》是美國(guó)總統(tǒng)《關(guān)于安全、可靠和可信地開發(fā)和使用人工智能的行政令》中的一項(xiàng)研究任務(wù)。 美國(guó)白宮圍繞人工智能發(fā)展的重點(diǎn)方向，不定期發(fā)布重要文件，包括： 《人工智能權(quán)利法案藍(lán)圖： 讓自動(dòng)化系統(tǒng)服務(wù)于美國(guó)人民》 《美國(guó)國(guó)家人工智能研發(fā)戰(zhàn)略計(jì)劃》《關(guān)于安全、可靠和可信地開發(fā)和使用人工智能的行政令》。 《報(bào)告》作為《關(guān)于安全、可靠且可信賴的開發(fā)和使用人工智能的行政令》的指定任務(wù)，在美國(guó)的人工智能政策文件中占有重要地位。

《報(bào)告》是首份呈送美國(guó)總統(tǒng)的AI4S專案報(bào)告。美國(guó)能源部、國(guó)防部、衛(wèi)生與公眾服務(wù)部等部門近年來已陸續(xù)發(fā)布本領(lǐng)域的AI4S報(bào)告。PCAST作為總統(tǒng)最高級(jí)別的科學(xué)政策顧問團(tuán)，《報(bào)告》內(nèi)容統(tǒng)籌協(xié)調(diào)了各部門的研究成果和政策建議，從更宏觀、更綜合的角度對(duì)AI4S的發(fā)展機(jī)遇和挑戰(zhàn)做出了回應(yīng)。

《報(bào)告》預(yù)計(jì)將成為未來美國(guó)AI4S政策的基本依據(jù)。依據(jù)《關(guān)于安全、可靠和可信地開發(fā)和使用人工智能的行政令》中的要求，《報(bào)告》立足于解決重大的全球挑戰(zhàn)，解決當(dāng)前科學(xué)研究過程中人工智能技術(shù)的應(yīng)用障礙。《報(bào)告》的出臺(tái)，為美國(guó)總統(tǒng)提供了新的科研組織模式和科研流程規(guī)范建議，將為美國(guó)政府在AI4S領(lǐng)域的下一步?jīng)Q策提供有力支撐。

《報(bào)告》的基本內(nèi)容

《報(bào)告》的主體內(nèi)容包括三部分，即AI4S的發(fā)展邏輯、發(fā)展方向和面臨挑戰(zhàn)。

AI4S發(fā)展邏輯——AI4S發(fā)展“三角”模型

《報(bào)告》提出人工智能支持科學(xué)發(fā)展的三大關(guān)鍵要素：提升能力、共享資源和規(guī)范制度。三大要素在AI4S領(lǐng)域形成了一個(gè)互相作用、互相促進(jìn)的良性循環(huán)，為科學(xué)研究的快速發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支持。

“提升能力”，指科學(xué)家使用人工智能提升科研能力與效率。科學(xué)家基于AI4S產(chǎn)生的創(chuàng)新成果能夠進(jìn)一步促進(jìn)“AI的資源共享”和“科研活動(dòng)的規(guī)范”。

“共享資源”，指分享算力、數(shù)據(jù)、模型等AI4S基礎(chǔ)資源。推動(dòng)AI4S資源的廣泛使用，一方面能加快“規(guī)范科研活動(dòng)”的普及速度，同時(shí)也能助力更多科研團(tuán)隊(duì)“提升能力”，提升整體科研水平。

“規(guī)范制度”，指科研全流程負(fù)責(zé)任使用人工智能工具。規(guī)范科研活動(dòng)，有助于保證“AI資源共享”的質(zhì)量，也在“提升科學(xué)家能力”過程中加速高質(zhì)量成果產(chǎn)出。

提升能力、共享資源和規(guī)范制度的三角模型

“三角”模型解析了AI4S范式中的技術(shù)要素，以及三要素在提升科研效率中的協(xié)同作用，為評(píng)判AI4S科研工作流程提供了基礎(chǔ)的分析框架。

基于三角模型，AI4S的發(fā)展前景 （如表1） 主要分為3方面：

一是科研能力提升，AI能夠協(xié)助科學(xué)家決策、處理日常任務(wù)、自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)流程、承擔(dān)高通量計(jì)算模擬、分析復(fù)雜數(shù)據(jù)等任務(wù)；

二是基礎(chǔ)資源共享，多模態(tài)科學(xué)模型能夠進(jìn)行學(xué)科融合、降低科研成本、促進(jìn)科研機(jī)構(gòu)合作、使AI4S大科學(xué)計(jì)劃成為可能；

三是規(guī)范科研制度，AI4S需要負(fù)責(zé)任的科研制度，這些科研制度將整合到科研工作全流程中。

表1 AI輔助科研的十大發(fā)展趨勢(shì)

AI4S發(fā)展方向：七大核心領(lǐng)域布局

目前來看，AI并非在所有的科學(xué)領(lǐng)域都能夠高效應(yīng)用。《報(bào)告》綜合評(píng)估AI4S對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、公共安全、環(huán)境保護(hù)等關(guān)鍵領(lǐng)域的深遠(yuǎn)影響，確定了七大核心領(lǐng)域。

在生命科學(xué)領(lǐng)域推動(dòng)疾病治療進(jìn)展，在氣象科學(xué)領(lǐng)域減輕極端天氣事件的影響，在物理學(xué)和宇宙學(xué)領(lǐng)域探索新的規(guī)律，在集成電路領(lǐng)域增強(qiáng)半導(dǎo)體自動(dòng)化設(shè)計(jì)能力，在材料科學(xué)研究領(lǐng)域開發(fā)超導(dǎo)體技術(shù)，在農(nóng)業(yè)和藥物設(shè)計(jì)領(lǐng)域創(chuàng)新應(yīng)用，以及在社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)政策制定。

雖然AI4S能夠發(fā)揮作用的領(lǐng)域不僅限于此七大領(lǐng)域，但是《報(bào)告》撰寫組認(rèn)為，這七個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)研究與AI4S范式適配度高，在應(yīng)對(duì)社會(huì)與全球挑戰(zhàn)方面具有先發(fā)優(yōu)勢(shì)，預(yù)計(jì)可獲得較大收益。

AI4S面臨挑戰(zhàn)與行動(dòng)建議

《報(bào)告》深入調(diào)研美國(guó)AI4S科研現(xiàn)狀，提出當(dāng)前發(fā)展階段面臨的挑戰(zhàn)，并給出相應(yīng)行動(dòng)建議。

表2 AI在當(dāng)前發(fā)展階段面臨的挑戰(zhàn)

鑒于表2中面臨的挑戰(zhàn)，《報(bào)告》提出了5條建議，其中2條是關(guān)于資源共享，2條關(guān)于制度規(guī)范，1條關(guān)于能力提升。

資源共享方面，《報(bào)告》考察了當(dāng)前美國(guó)國(guó)會(huì)主導(dǎo)的國(guó)家人工智能研究資源 （NAIRR） 項(xiàng)目，該項(xiàng)目在2023至2025年期間的預(yù)算高達(dá)24億美元，涉及多個(gè)政府機(jī)構(gòu)，如國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局 （DARPA） 、美國(guó)宇航局 （NASA） 等共同為獲批研究項(xiàng)目分享計(jì)算資源、內(nèi)部AI模型和數(shù)據(jù)集。《報(bào)告》強(qiáng)調(diào)，為了支持尖端研究，需要高質(zhì)量數(shù)據(jù)和最先進(jìn)的AI模型。因此，該報(bào)告建議在NAIRR的基礎(chǔ)上，一是擴(kuò)大共享人工智能模型評(píng)測(cè)基準(zhǔn)和計(jì)算資源，二是進(jìn)一步對(duì)研究項(xiàng)目開放聯(lián)邦數(shù)據(jù)集，以促進(jìn)科研創(chuàng)新和進(jìn)步。

規(guī)范制度方面，《報(bào)告》指出，人工智能系統(tǒng)在缺乏適當(dāng)基準(zhǔn)指標(biāo)、驗(yàn)證程序和負(fù)責(zé)任使用的情況下，可能產(chǎn)生不可靠的輸出結(jié)果，對(duì)科學(xué)領(lǐng)域造成潛在危害。為此，《報(bào)告》建議：一是制定評(píng)估AI模型準(zhǔn)確性、可重復(fù)性和可解釋性的標(biāo)準(zhǔn)，并開發(fā)識(shí)別數(shù)據(jù)偏見以及區(qū)分合成數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)的工具；二是在科研全階段采用負(fù)責(zé)任、透明和可信的AI使用原則，以管理潛在風(fēng)險(xiǎn)。

提升科學(xué)家研究能力方面，《報(bào)告》強(qiáng)調(diào)應(yīng)新增相關(guān)科研項(xiàng)目，激勵(lì)科研人員完善AI4S的科研基礎(chǔ)設(shè)施。建議將科學(xué)數(shù)據(jù)標(biāo)注、科學(xué)模型訓(xùn)練等關(guān)鍵環(huán)節(jié)納入科研基金項(xiàng)目支持范圍，以激勵(lì)科研人員積極參與AI4S模型配套系統(tǒng)設(shè)施的開發(fā)研究工作。

借鑒與建議

面對(duì)AI4S領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，“三角”模型可以作為發(fā)展的基本思路參考。“三角”模型強(qiáng)調(diào)在關(guān)鍵研究領(lǐng)域進(jìn)行戰(zhàn)略布局，促進(jìn)新興科研項(xiàng)目的培育，并以優(yōu)化的科研管理體系為基石，旨在全面提升科研活動(dòng)的效率。

為了進(jìn)一步提高我國(guó)科研的整體實(shí)力，AI4S的研究布局可參考《報(bào)告》中提出的七大優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域。各省市可依托本地產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，有的放矢地推進(jìn)AI4S的研究與應(yīng)用。

以上海市為例，其戰(zhàn)略舉措包括但不限于：首先，在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，致力于新藥創(chuàng)制、基因研究、生物育種等前沿課題的探索；其次，在新材料領(lǐng)域，開展量子材料、超導(dǎo)材料、熱電材料、軟材料等創(chuàng)新材料的開發(fā)、性能預(yù)測(cè)以及合成路徑的設(shè)計(jì)研究。

在AI4S項(xiàng)目指南方面，增加AI相關(guān)基礎(chǔ)建設(shè)項(xiàng)目。 在科研基金項(xiàng)目的支持范圍中，建議增加專門針對(duì)AI4S基礎(chǔ)建設(shè)的研究項(xiàng)目。 一是將科學(xué)數(shù)據(jù)標(biāo)注和科學(xué)模型訓(xùn)練等關(guān)鍵活動(dòng)納入科研基金項(xiàng)目的資助范圍。 二是研究評(píng)估科學(xué)模型的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集，以建立評(píng)估和比較不同AI4S模型性能的標(biāo)準(zhǔn)化方法。

在AI4S制度建設(shè)方面，健全智能科研管理體系。在科研管理規(guī)范方面，需要根據(jù)AI4S范式特征進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。一是在科研項(xiàng)目規(guī)則要求中實(shí)施全流程管控，以提升科研工作的效率，并防止人工智能輔助過程中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤。二是應(yīng)確保AI4S科研實(shí)踐符合倫理標(biāo)準(zhǔn)與安全要求，以促進(jìn)科研的可持續(xù)發(fā)展。

在AI4S資源共享方面，增加科研設(shè)施共享項(xiàng)目。建議參考NAIRR機(jī)制，在重點(diǎn)學(xué)科與研究方向設(shè)立AI4S科研設(shè)施共享項(xiàng)目。推動(dòng)國(guó)家學(xué)科數(shù)據(jù)庫(kù)之間以及與其他數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行科研數(shù)據(jù)、科研模型等資源共享。推動(dòng)科研云平臺(tái)、算力云服務(wù)平臺(tái)、數(shù)字孿生軟件平臺(tái)等基礎(chǔ)設(shè)施加強(qiáng)聯(lián)合，以打破AI4S科研資源壁壘，保證AI4S科研數(shù)據(jù)成果安全集中，提升AI4S研究生態(tài)縱深。

-本文作者吳琪為上海市科學(xué)學(xué)研究所科技與社會(huì)研究室博士后、助理研究員；李輝為上海市科學(xué)學(xué)研究所科技與社會(huì)研究室副主任、研究員；本文刊載于《世界科學(xué)》雜志2024年第12期“科技傳播·智見”欄目-

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