發(fā)展科學智能新動向

科學智能（AI for Science，AI4S）是當前人工智能（AI）應用發(fā)展的一個重點方向。2024年4月29日，美國總統(tǒng)科學技術顧問委員會（PCAST）組織美國領域內權威專家，發(fā)布了《賦能研究：利用人工智能應對全球挑戰(zhàn)》報告（本文簡稱《報告》）。該報告提出AI4S發(fā)展的“三角”模型，詳細分析了AI4S的發(fā)展?jié)摿?、重點領域和面臨的挑戰(zhàn)，并為美國總統(tǒng)提供了清晰的建議。

《報告》是美國總統(tǒng)《關于安全、可靠和可信地開發(fā)和使用人工智能的行政令》中的一項研究任務。美國白宮圍繞人工智能發(fā)展的重點方向，不定期發(fā)布重要文件，包括：《人工智能權利法案藍圖：讓自動化系統(tǒng)服務于美國人民》 《美國國家人工智能研發(fā)戰(zhàn)略計劃》《關于安全、可靠和可信地開發(fā)和使用人工智能的行政令》。《報告》作為《關于安全、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，在美國的人工智能政策文件中占有重要地位。

《報告》是首份呈送美國總統(tǒng)的AI4S專案報告。美國能源部、國防部、衛(wèi)生與公眾服務部等部門近年來已陸續(xù)發(fā)布本領域的AI4S報告。PCAST作為總統(tǒng)最高級別的科學政策顧問團，《報告》內容統(tǒng)籌協(xié)調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AI4S的發(fā)展機遇和挑戰(zhàn)做出了回應。

《報告》預計將成為未來美國AI4S政策的基本依據。依據《關于安全、可靠和可信地開發(fā)和使用人工智能的行政令》中的要求，《報告》立足于解決重大的全球挑戰(zhàn)，解決當前科學研究過程中人工智能技術的應用障礙?！秷蟾妗返某雠_，為美國總統(tǒng)提供了新的科研組織模式和科研流程規(guī)范建議，將為美國政府在AI4S領域的下一步決策提供有力支撐。

《報告》的基本內容

《報告》的主體內容包括三部分，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 "《報告》提出人工智能支持科學發(fā)展的三大關鍵要素：提升能力、共享資源和規(guī)范制度。三大要素在AI4S領域形成了一個互相作用、互相促進的良性循環(huán)，為科學研究的快速發(fā)展提供了強有力的支持。

“提升能力”，指科學家使用人工智能提升科研能力與效率?？茖W家基于AI4S產生的創(chuàng)新成果能夠進一步促進“AI的資源共享”和“科研活動的規(guī)范”。

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

“規(guī)范制度”，指科研全流程負責任使用人工智能工具。規(guī)范科研活動，有助于保證“AI資源共享”的質量，也在“提升科學家能力”過程中加速高質量成果產出。

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范式中的技術要素，以及三要素在提升科研效率中的協(xié)同作用，為評判AI4S科研工作流程提供了基礎的分析框架。

基于三角模型，AI4S的發(fā)展前景（如表1）主要分為三方面：一是科研能力提升，AI能夠協(xié)助科學家決策、處理日常任務、自動化實驗流程、承擔高通量計算模擬、分析復雜數(shù)據等任務；二是基礎資源共享，多模態(tài)科學模型能夠進行學科融合、降低科研成本、促進科研機構合作、使AI4S大科學計劃成為可能；三是規(guī)范科研制度，AI4S需要負責任的科研制度，這些科研制度將整合到科研工作全流程中。

AI4S發(fā)展方向：七大核心領域布局 "目前來看，AI并非在所有的科學領域都能夠高效應用。《報告》綜合評估AI4S對社會經濟發(fā)展、公共安全、環(huán)境保護等關鍵領域的深遠影響，確定了七大核心領域。在生命科學領域推動疾病治療進展，在氣象科學領域減輕極端天氣事件的影響，在物理學和宇宙學領域探索新的規(guī)律，在集成電路領域增強半導體自動化設計能力，在材料科學研究領域開發(fā)超導體技術，在農業(yè)和藥物設計領域創(chuàng)新應用，以及在社會科學領域利用數(shù)據驅動政策制定。雖然AI4S能夠發(fā)揮作用的領域不僅限于此七大領域，但是《報告》撰寫組認為，這七個領域的科學研究與AI4S范式適配度高，在應對社會與全球挑戰(zhàn)方面具有先發(fā)優(yōu)勢，預計可獲得較大收益。

AI4S面臨挑戰(zhàn)與行動建議 "《報告》深入調研美國AI4S科研現(xiàn)狀，提出當前發(fā)展階段面臨的挑戰(zhàn)，并給出相應行動建議。

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

資源共享方面，《報告》考察了當前美國國會主導的國家人工智能研究資源（NAIRR）項目，該項目在2023至2025年期間的預算高達24億美元，涉及多個政府機構，如國防部高級研究計劃局（DARPA）、美國宇航局（NASA）等共同為獲批研究項目分享計算資源、內部AI模型和數(shù)據集。《報告》強調，為了支持尖端研究，需要高質量數(shù)據和最先進的AI模型。因此，該報告建議在NAIRR的基礎上，一是擴大共享人工智能模型評測基準和計算資源，二是進一步對研究項目開放聯(lián)邦數(shù)據集，以促進科研創(chuàng)新和進步。

規(guī)范制度方面，《報告》指出，人工智能系統(tǒng)在缺乏適當基準指標、驗證程序和負責任使用的情況下，可能產生不可靠的輸出結果，對科學領域造成潛在危害。為此，《報告》建議：一是制定評估AI模型準確性、可重復性和可解釋性的標準，并開發(fā)識別數(shù)據偏見以及區(qū)分合成數(shù)據與真實數(shù)據的工具；二是在科研全階段采用負責任、透明和可信的AI使用原則，以管理潛在風險。

提升科學家研究能力方面，《報告》強調應新增相關科研項目，激勵科研人員完善AI4S的科研基礎設施。建議將科學數(shù)據標注、科學模型訓練等關鍵環(huán)節(jié)納入科研基金項目支持范圍，以激勵科研人員積極參與AI4S模型配套系統(tǒng)設施的開發(fā)研究工作。

借鑒與建議

面對AI4S領域的廣泛應用，“三角”模型可以作為發(fā)展的基本思路參考?！叭恰蹦Ｐ蛷娬{在關鍵研究領域進行戰(zhàn)略布局，促進新興科研項目的培育，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的效率。

為了進一步提高國家科研的整體實力，AI4S的研究布局可參考《報告》中提出的七大優(yōu)先發(fā)展領域。各省市可依托本地產業(yè)基礎，有的放矢地推進AI4S的研究與應用。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，在新材料領域，開展量子材料、超導材料、熱電材料、軟材料等創(chuàng)新材料的開發(fā)、性能預測以及合成路徑的設計研究。

在AI4S項目指南方面，增加AI相關基礎建設項目。在科研基金項目的支持范圍中，建議增加專門針對AI4S基礎建設的研究項目。一是將科學數(shù)據標注和科學模型訓練等關鍵活動納入科研基金項目的資助范圍。二是研究評估科學模型的基準數(shù)據集，以建立評估和比較不同AI4S模型性能的標準化方法。

在AI4S制度建設方面，健全智能科研管理體系。在科研管理規(guī)范方面，需要根據AI4S范式特征進行相應調整。一是在科研項目規(guī)則要求中實施全流程管控，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)的錯誤。二是應確保AI4S科研實踐符合倫理標準與安全要求，以促進科研的可持續(xù)發(fā)展。

在AI4S資源共享方面，增加科研設施共享項目。建議參考NAIRR機制，在重點學科與研究方向設立AI4S科研設施共享項目。推動國家學科數(shù)據庫之間以及與其他數(shù)據庫進行科研數(shù)據、科研模型等資源共享。推動科研云平臺、算力云服務平臺、數(shù)字孿生軟件平臺等基礎設施加強聯(lián)合，以打破AI4S科研資源壁壘，保證AI4S科研數(shù)據成果安全集中，提升AI4S研究生態(tài)縱深。

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本文作者吳琪為上海市科學學研究所科技與社會研究室博士后、助理研究員；李輝為上海市科學學研究所科技與社會研究室副主任、研究員。