流浪地球里的數(shù)字生命計(jì)劃啟動(dòng)了？DeepMind在電腦里造果蠅，網(wǎng)友：能造人嗎？

作者：機(jī)器之心 2024-03-18 12:27:21

「質(zhì)疑圖恒宇，理解圖恒宇，成為圖恒宇。」這是谷歌 DeepMind 和美國 Janelia 研究園區(qū)（霍華德?休斯醫(yī)學(xué)研究所成立的神經(jīng)科學(xué)研究機(jī)構(gòu)）共同研究出的一個(gè)虛擬果蠅，它能像真實(shí)的果蠅一樣行走和飛行。

在《流浪地球 2》中，劉德華飾演的圖恒宇是一個(gè)令人印象深刻的角色。為了讓在車禍中去世的女兒擁有「完整的一生」，他不顧人類世界對「數(shù)字生命計(jì)劃」的禁令，一直在暗中獨(dú)自努力完善數(shù)字生命的架構(gòu)，并最終決定公然違規(guī)，將女兒的數(shù)據(jù)上傳至量子計(jì)算機(jī)，之后因此被捕入獄。

電影上映后，有關(guān)「數(shù)字生命」的話題經(jīng)過了很多討論。

最近，這個(gè)話題被再次提起，起因是不少失去親友的人正在嘗試用 AI 技術(shù)「復(fù)活」逝者，制作出一系列包含逝者形象的虛擬視頻。一個(gè)「質(zhì)疑圖恒宇，理解圖恒宇，成為圖恒宇」的評論被贊上萬次。

不過，這些視頻大多沒有可互動(dòng)性。按照現(xiàn)在的技術(shù)，即使設(shè)置了互動(dòng)功能，屏幕里的人也會(huì)因?yàn)檫`背一些物理直覺而顯得很假。畢竟，理解物理世界，并按照物理世界的規(guī)律去運(yùn)動(dòng)、思考依然是一個(gè)沒有解決的問題，就連最近大火的 Sora 視頻生成模型也被認(rèn)為做不到這一點(diǎn)。

更何況，能真正以假亂真的「數(shù)字生命」被認(rèn)為是要擁有自主意識的。而意識是什么，如何構(gòu)建，在科學(xué)界都沒有達(dá)成共識。所以，真正的「數(shù)字生命」其實(shí)離我們還很遙遠(yuǎn)。

不過，人工智能科學(xué)家和神經(jīng)科學(xué)家正在聯(lián)手，朝著這一方向努力。

神經(jīng)科學(xué) + 人工智能：在電腦里造一只逼真果蠅

這是谷歌 DeepMind 和美國 Janelia 研究園區(qū)（霍華德?休斯醫(yī)學(xué)研究所成立的神經(jīng)科學(xué)研究機(jī)構(gòu)）共同研究出的一個(gè)虛擬果蠅，它能像真實(shí)的果蠅一樣行走和飛行。

同時(shí)，它也是迄今為止最逼真的果蠅模擬，結(jié)合了新的解剖學(xué)精確模型、快速物理模擬器和根據(jù)果蠅行為訓(xùn)練的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以模仿真實(shí)果蠅的動(dòng)作。

除了在復(fù)雜的軌跡上行走和飛行，虛擬果蠅還能用眼睛控制和引導(dǎo)飛行。

「你獲取真實(shí)的果蠅數(shù)據(jù) —— 它們是如何飛行的，如何行走的 —— 訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)來模仿這些動(dòng)作，然后讓我們訓(xùn)練好的這個(gè)網(wǎng)絡(luò)來控制果蠅，告訴果蠅如何運(yùn)動(dòng)，」Janelia Turaga 實(shí)驗(yàn)室的機(jī)器學(xué)習(xí)研究員 Roman Vaxenburg 領(lǐng)導(dǎo)了這個(gè)項(xiàng)目。他說，「它就像一個(gè)小型大腦，控制著果蠅的動(dòng)作」。

新模型是該團(tuán)隊(duì)虛擬果蠅的首次迭代，他們計(jì)劃利用更多的解剖和感官特征以及真實(shí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使其更加逼真。這也是他們所希望實(shí)現(xiàn)的一系列逼真動(dòng)物模型中的第一個(gè)。他們和其他研究人員現(xiàn)在可以利用這個(gè)通用的開源框架來開發(fā)這些模型。

這些模型可以幫助科學(xué)家更全面地了解神經(jīng)系統(tǒng)、身體和環(huán)境是如何共同控制行為的。幾十年來，研究人員一直在實(shí)驗(yàn)室中用真實(shí)動(dòng)物探究這些問題，而逼真的虛擬模型將使科學(xué)家們能夠了解所有這些組成部分是如何相互聯(lián)系的，以及實(shí)驗(yàn)室中無法測量的因素 —— 比如飛行時(shí)施加在身體上的力是如何影響行為的。

「對身體的模擬可以告訴你神經(jīng)系統(tǒng)的指令是如何轉(zhuǎn)化為動(dòng)作和行為的，而這個(gè)『如何』與身體的形狀以及身體如何與世界互動(dòng)的物理學(xué)有關(guān)，」該項(xiàng)目的高級科學(xué)家、Janelia 小組組長 Srinivas Turaga 說，「所有這些都編入了這個(gè)物理模擬中」。

新模型建立在以前模擬果蠅行為的工作基礎(chǔ)上，包括使用簡化的蠅體和手動(dòng)控制系統(tǒng)來模擬飛行的「大統(tǒng)一果蠅（Grand Unified Fly）」。最近推出的 NeuroMechFly 使用逼真的身體模型和帶有學(xué)習(xí)組件的手動(dòng)控制系統(tǒng)來模擬行走。

在這項(xiàng)新研究中，Janelia 的研究人員和 DeepMind 的科學(xué)家在高級研究科學(xué)家 Yuval Tassa 和 Josh Merel 的領(lǐng)導(dǎo)下，著手改進(jìn)果蠅模型的解剖學(xué)、生物力學(xué)、物理學(xué)和行為學(xué)信息，以創(chuàng)造出一種能夠執(zhí)行多種行為的更逼真的果蠅模擬。這項(xiàng)工作是 Janelia 和 DeepMind 之間的多項(xiàng)合作之一，雙方利用各自在神經(jīng)科學(xué)和人工智能領(lǐng)域的專業(yè)知識共同解決科學(xué)問題。

DeepMind 高級研究總監(jiān) Matthew Botvinick 說：「盡管人們普遍承認(rèn)，理解大腦功能取決于理解身體及其與其他物理對象的相互作用，但計(jì)算神經(jīng)科學(xué)研究很少尋求在這種全局層面上模擬事物。在與 Srini 和這個(gè)團(tuán)隊(duì)的其他成員進(jìn)行頭腦風(fēng)暴的過程中，我們意識到有一個(gè)令人興奮的機(jī)會(huì)，可以在果蠅研究的背景下將所有的碎片整合在一起」。

未來還會(huì)有虛擬小鼠、虛擬斑馬魚、虛擬……

整個(gè)果蠅的打造過程可以概括為：

首先，Janelia 研究專家 Igor Siwanowicz 用顯微鏡對成年雌果蠅的各個(gè)部位進(jìn)行了成像，并使用計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)建了一個(gè)解剖學(xué)上精確的果蠅體外虛擬模型，其中包括果蠅關(guān)節(jié)和附肢的運(yùn)動(dòng)。

DeepMind 的研究人員 —— 包括 Tassa、Merel 和研究工程師 Guido Novati—— 將這一虛擬模型轉(zhuǎn)化為代碼，并輸入 MuJoCo 模擬器，這是一個(gè)專為機(jī)器人和生物力學(xué)設(shè)計(jì)的快速開源物理模擬器。該工具使研究人員能夠虛擬模擬現(xiàn)實(shí)世界中物體的運(yùn)動(dòng)和互動(dòng)方式。

為了支持果蠅模型，研究人員對模擬器進(jìn)行了重大升級，包括附著力致動(dòng)器，以模擬昆蟲腳抓物體表面時(shí)產(chǎn)生的力。研究小組還請 Novati 設(shè)計(jì)了一個(gè)新的流體力學(xué)模型，用于描述果蠅在空中飛行時(shí)所受的力。該項(xiàng)目的資深作者 Tassa 說，該模型可以支持各種空氣動(dòng)力學(xué)行為，包括展翅飛翔。這里，他們用到了端到端強(qiáng)化學(xué)習(xí)。

飛行模擬。

行走模擬。

視覺引導(dǎo)飛行任務(wù)：高度控制和避障。

Tassa 還表示：「由于作用在果蠅身上的力是如此微小，對這樣一種小昆蟲進(jìn)行建模非常具有挑戰(zhàn)性。」

接下來，Vaxenburg 建立了一個(gè)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)真實(shí)的果蠅行為對其進(jìn)行訓(xùn)練，方法是向該網(wǎng)絡(luò)提供由果蠅行為專家錄制的視頻信息，這些專家包括 Janelia 高級小組負(fù)責(zé)人 Kristin Branson 和 Michael Reiser、HHMI 研究員 Gwyneth Card 和加州理工學(xué)院教授 Michael Dickinson。

Vaxenburg 說：「我們的目標(biāo)是提高逼真度，這通過兩個(gè)方面的工作來實(shí)現(xiàn)：一個(gè)是改進(jìn)解剖細(xì)節(jié)的捕捉，即果蠅的構(gòu)造；另一個(gè)是捕捉行為，即果蠅的動(dòng)作和反應(yīng)。」

上圖展示了果蠅模型的身體結(jié)構(gòu)和自由度。果蠅模型由 67 個(gè)身體部分組成，由 66 個(gè)關(guān)節(jié)連接，相當(dāng)于 102 個(gè)自由度。圖中顯示了所有自由度以正弦波方式運(yùn)動(dòng)的序列。

這個(gè)新模型只是一個(gè)開始。下一步，研究小組希望將果蠅解剖結(jié)構(gòu)的其他部分（如肌肉和肌腱）以及逼真的感覺系統(tǒng)納入虛擬昆蟲中，從而創(chuàng)建一個(gè)更加逼真的果蠅模型。他們還希望能夠使用真實(shí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，如果蠅腹側(cè)神經(jīng)索連接體，為模型提供動(dòng)力。

鑒于研究小組已經(jīng)證明他們能夠創(chuàng)建這類逼真的虛擬模型，未來，他們還想創(chuàng)建虛擬小鼠和斑馬魚，這兩種生物被神經(jīng)科學(xué)家廣泛研究。他們用來創(chuàng)建虛擬果蠅的流程也可供全球研究人員免費(fèi)使用，使其他人也能創(chuàng)建自己的逼真模型。

Turaga 說：「我們已經(jīng)展示了如何做到這一點(diǎn)，我們可以為另一種生物再做一次。」

目前，關(guān)于這一研究成果的論文已經(jīng)在 bioRxiv 上發(fā)布。作者在論文摘要中寫到，「動(dòng)物的身體決定了神經(jīng)系統(tǒng)如何產(chǎn)生行為。因此，對感覺運(yùn)動(dòng)行為的神經(jīng)控制進(jìn)行詳細(xì)建模需要一個(gè)詳細(xì)的身體模型。」為此，他們在 MuJoCo 物理引擎中提供了一個(gè)解剖學(xué)上詳細(xì)的黑腹果蠅全身生物力學(xué)模型，也就是我們前面介紹的虛擬果蠅。