人工智能重塑科学与工程研究

人工智能重塑科学与工程研究Recognition， LEarning， Reasoning朱霖潮 浙江大学计算机科学与技术学院人工智能研究所zhulinchao@zju.edu.cn浙江大学人工智能教育教学研究中心中心人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研浙江提纲2l 科学研究方法l 以蛋白质结构预测为例l AI驱动科学研究的全过程l 小结浙江大学人工智能教育教学研究中心中心人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研浙江科学研究方法常规内容页标题 微软雅黑 30号字l 第一范式：经验驱动——基于观察和归纳的实验研究l 以经验主义和人的思考为主导的科学研究范式l 实验是开展研究的主要手段l 起源可追溯至古希腊和中国的早期实验方法l 数千年文明史中，人类绝大多数技术发展源于对自然现象的观察和实验总结甲骨文反映了早期古人通过观察自然现象(如天气、农作物生长、天象等)，并进行记录的做法。亚里斯多德认为自由落体运动中，物体越重，下落越快；物体越轻，下落越慢。伽利略的落体实验：通过实验验证物体落下速度与质量无关开普勒发现行星的移动遵守着三条定律浙江大学人工智能教育教学研究中心中心人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研浙江科学研究方法常规内容页标题 微软雅黑 30号字l 第二范式：理论驱动——基于科学假设和逻辑演绎的理论研究l 当实验条件不具备时，第一范式难以为继l 不再局限于描述经验事实，使用数学工具研究更精确的自然现象l 从“知其然”到“知其所以然”，对自然界规律做出背后原理性的解释l 探索第一性原理（First Principle），提供精确描述自然规律的语言，形成可分析的理论模型牛顿定律薛定谔方程欧几里德《几何原本》l23个定义明确了点、线、面等基本几何概念l5条公设确立了几何作图的基本操作l5条公理奠定了几何推理的基础规则浙江大学人工智能教育教学研究中心中心人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研浙江科学研究方法常规内容页标题 微软雅黑 30号字l 第三范式：计算驱动——以计算和仿真为主导的科学研究l 肯尼斯·威尔逊博士（计算物理学家、诺贝尔奖获得者）指出，计算是与理论和实验并列的科学方法之一l 高性能计算机和大规模并行计算兴起l 利用计算机精确、大规模求解方程组l 探索无法通过实验和理论推导解决的复杂问题密度泛函理论（DFT）l 将量子力学方程转换为计算机高效求解的形式l 处理复杂多电子体系问题原子结构电荷密度波函数哈密顿量有限元仿真的汽车碰撞测试超级计算机系统浙江大学人工智能教育教学研究中心中心人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研浙江科学研究方法常规内容页标题 微软雅黑 30号字l 第四范式：数据驱动——数据密集型科学研究方法l 图灵奖获得者吉姆·格雷提出数据密集型科学研究l 利用海量数据采集取代传统观察，以机器学习、统计学等技术替代人类归纳l 大数据：例如，美国国家海洋和大气管理局每天收集数十T的环境数据，包含卫星、雷达、船舶、气象l 传统模式（先提出假设再验证） vs. 让数据本身”说话”天文大数据大型强子对撞机(LHC)实验数据统计浙江大学人工智能教育教学研究中心中心人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研浙江科学研究方法常规内容页标题 微软雅黑 30号字l 第五范式：智能驱动（AI for Science）——人工智能驱动的科学研究l 计算驱动范式准但不够快，擅长处理小规模的科学问题l 数据驱动范式中，AI主要作为数据分析工具；然而仅靠统计分析，难以在复杂系统的研究上实现突破l 第五范式中，AI驱动科学发现的全过程，包括提出假设、设计实验等，应对计算复杂性高的组合爆炸问题，实现实验、理论、计算和数据科研范式的融合科学发现是一个多方面的过程，包含几个相互关联的阶段，包括假设形成、实验设计、数据收集和分析。人工智能有望通过增强和加速研究过程的各个阶段来重塑科学发现1。1.Scientific discovery in the age of artificial intelligence, Nature 2024.2.A New Golden Age of Discovery | Seizing the AI for Science opportunity, Google DeepMind知识：改变科学家获取和传递知识的方式数据：生成、提取和标注大规模科学数据集实验：模拟、加速并指导复杂实验模型：建模复杂系统及其组件的相互作用解决方案：为大规模搜索问题提供方案浙江大学人工智能教育教学研究中心中心人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研浙江科学研究方法常规内容页标题 微软雅黑 30号字假设实验数据收集数据分析经验驱动理论驱动计算驱动数据驱动观察总结归纳建模仿真实验客观现象数据收集数据分析海量数据关系挖掘智能驱动无无无自动收集AI数据精准采集AI实验辅助AI规则发现AI数据辅助分析数学表达式生成...开普勒定律牛顿定律...钻木取火天气预测模拟核试验...蛋白质结构预测药物快速发明快速天气预测...方程加速求解....数据合成...粒子碰撞检测 科学方法 科学成果瘟疫传播规律交通改善...比萨斜塔麦克斯韦尔方程易染-感染-免疫传播模型模拟数据驱动机器学习浙江大学人工智能教育教学研究中心中心人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研浙江应用：方程求解9三维Maxwell方程二维Navier-Stokes方程标量场向量场二维Darcy Flow方程二维Diffusion-Reaction方程描述文案写在此处 微软雅黑 18号描述文案写在此处 微软雅黑 18号地转方程从左到右分别是地转相对涡度、行星涡度和伸展涡度。斯托克斯方程气压梯度力的向量式湍流系统给定时间内在垂直于流动的方向上的热通量和动量传递（由剪切应力τ表示）为浙江大学人工智能教育教学研究中心中心人工智能教育教学研究中心浙江大学人工智能教育教学研